Вооруженным глазом

22 фото

Древесина ели

Фото сделано с помощью сканирующего электронного микроскопа ZEISS SIGMA VPБлагодаря эволюции сосудистой системы растений ствол дерева может не только удерживать массивную крону, но и обеспечивать перенос воды и питательных веществ от корней к листьям и побегам, а от листьев — обратно к корням.
На этом снимке, полученном с помощью электронного микроскопа, виден поперечный срез древесины ствола ели. Хорошо видны одеревеневшие стенки трахеид — «трубочек», которые пронизывают древесину и обеспечивают транспортировку воды по стволу. У ели на срезе они обычно имеют правильную прямоугольную форму. Трахеиды — основной элемент древесины ели, они занимают до 95% общего объема. Размер их сечения может составлять десятые и сотые доли миллиметра, а длина — несколько миллиметров. Между собой они сообщаются с помощью пор, затянутых мембраной, которые располагаются в их стенках. Трахеиды, образовавшиеся весной, более широкие и проводят влагу, но большая часть трахеид, образовавшихся в оставшийся вегетационный период, «поздние трахеиды», меньше по размеру и не проводят воду — они выполняют механическую функцию, придавая стволу прочность.

2. Пушистые глаза

Фото сделано с помощью сканирующего электронного микроскопа ZEISS SUPRA
На этом снимке, полученном с помощью электронного микроскопа, — небольшой участок поверхности глаза осы. У осы фасеточное зрение, поэтому глаз разбит на множество секций, которые и видны на снимке. Каждая секция «смотрит» только в одном, очень узком, направлении. А по центру изображения видно волосок, растущий из глаза. Для насекомых это нормальное явление!

3. Усы осы

Верхние челюсти у ос называются жвалами. С их помощью осы разгрызают пищу и строят гнезда. На жвалах, как и практически везде на теле осы, растут волоски. Один из таких волосков виден на снимке. Волоски ос в несколько раз тоньше среднего человеческого волоса. Они выполняют осязательную функцию и нужны, чтобы чувствовать прикосновения.

4. Cрез лишайника

На этом изображении представлен поперечный срез листоватого лишайника Peltigera aphthosa, широко распространенного в северном полушарии. Это классический объект для изучения симбиотических систем, в нем уживаются водоросли, грибы и цианобактерии. Тело лишайника, таллом (зеленый цвет), представляет собой переплетение грибных гиф, между которыми находится слой популяции фотобионта, одноклеточных зеленых водорослей (красный). Видно, что на поверхности лишайника образовались цефалодии (выросты), где сосредоточены симбиотические цианобактерии (лиловый цвет), умеющие осуществлять азотфиксацию.

Зеленые водоросли с высоким содержанием хлорофилла испускают флуоресценцию в области 700 нм, что соответствует красному цвету, а цианобактерии, богатые фикоцианином, кроме того, обладают свечением в области 650 нм, поэтому на фотографии можно различить эти типы клеток.

Лазерный сканирующий микроскоп работает за счет того, что луч лазера последовательно «пробегает» по плоскости образца, точка за точкой. Благодаря содержанию флуорофоров, молекулы отдельных элементов клетки излучают свет, причем на другой длине волны — по сравнению с лазером. Детектор микроскопа легко выделяет и фиксирует это свечение и затем строит изображение образца. Если образец содержит собственные флуорофоры, тогда его можно изучать без введения каких-либо дополнительных красителей или химических реагентов. Флуоресцентное свечение таких образцов называется автофлуоресценцией.

5. Пылинка и решетка

На картинке видна золотая решетка, сформированная на поверхности образца для лабораторных исследований магнитооптических эффектов, и попавшая на нее пылинка. Размер пылинки всего лишь 20 микрометров. Глазом ее увидеть невозможно. Но по сравнению с тонким рисунком решетки она кажется просто гигантской!

Сама решетка создана с помощью электронно-лучевой литографии. Это технология очень похожа на ту, что используется при производстве микросхем. В случае, если бы такая пылинка попала, например, на микросхему процессора в процессе его сборки, она могла бы испортить все устройство. Поэтому микросхемы изготавливают в очень чистых условиях. Уровень содержания пыли на кубический метр воздуха в производственных помещениях контролируется и поддерживается на низком уровне благодаря непрерывной фильтрации воздуха.

6. Грифель карандаша

Все мы знаем, что грифель простого карандаша сделан из графита. Однако чистый графит сам по себе не используется для производства карандашей. Обычно для этого берут графитовую пыль и смешивают с другими материалами. Это может быть глина или специальные полимерные материалы. Такой грифель пишет гораздо лучше, чем если бы он был сделан из чистого графита. Кроме того, изменяя пропорции компонентов смеси, можно регулировать твердость грифеля.

На снимке электронного микроскопа представлен след простого карандаша на алюминиевой фольге. Хорошо видно, в каком направлении двигался карандаш. По центру снимка находится тонкая графитовая «чешуйка».

Графит — это одна из форм углерода, атомы которого выстроены в слои. В каждом таком слое атомы образуют структуру из шестиугольников наподобие пчелиных сот. В пределах одного слоя каждый атом крепко «держится» за своих соседей, а вот слои связаны друг с другом значительно слабее. Таким образом, кристаллическая решетка графита напоминает стопку бумаг: листы легко подвинуть друг относительно друга, но сами страницы порвать труднее. Углеродная «чешуйка» на изображении в некоторых местах настолько тонкая, что электронный луч проходит сквозь неё.

В 2010 году Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили Нобелевскую премию по физике за то, что открыли новый материал — графен, который по сути представляет собой однослойный (толщиной в один атом) графит. Новоселов неоднократно демонстрировал метод получения графена при помощи простого карандаша, кусочка скотча и мобильного телефона в качестве подложки. Кто знает, может и на этом снимке есть отдельно лежащий маленький кусочек графена?

7. Нанодворец

На снимке электронного микроскопа — результат неудачного травления образца из кремния. В микроэлектронном производстве повсеместно используют плазмохимическое травление. Выглядит этот процесс примерно так. Кремниевую подложку помещают в вакуумную камеру, в которую напускают различные газы, например, часто используют фторсодержащие SF_6SF6 или CF_4CF4. Сами по себе эти газы не особо реакционно способны, потому что активный фтор уже химически связан с углеродом или серой. Но если подать напряжение и зажечь разряд плазмы, то в разряде начнут образовываться ионы, в том числе ионы фтора. Ускоряемые электрическим полем, ионы будут бомбардировать подложку. Фтор — очень активный окислитель. Реагируя с кремнием, он образует газ, который откачивается из вакуумной камеры насосом.

Если нужно, в некоторых местах кремний можно защитить, прикрыв его устойчивым к травлению материалом. В данном случае слой этого защитного материала оказался слишком тонким и не выдержал плазменного процесса. Зато под тем местом где изначально был защитный слой, получился красивый кремниевый «нанодворец».

8. Кусочек листа дерева

Увеличенный снимок разорванного листа с дерева, сделанный электронным микроскопом. Лист перед съемкой тщательно высушивался в вакууме. Слева показана «кожица» листа, а справа — «внутренности».

9. Острие иглы

Как вы думаете, каким может быть самый острый нож? Теоретически можно изготовить лезвие, в сечении представляющее собой вытянутый треугольник, на острие которого располагается одна-единственная молекула. Но стоит только попробовать им что-то разрезать, как совершенная острота будет немедленно утрачена: в месте касания ножа и поверхности возникнет огромное давление.

Давление определяется отношением силы, действующей на поверхность, к ее площади. Например, если мы надавим кончиком пальца на стол с силой 10 ньютонов (это примерно соответствует весу 1 килограмма), то мы создадим давление 10Н/см² или 100 000 паскалей, так как паскаль равен 1Н/м², а площадь кончика пальца — около 1 см².


Пусть наш предельно острый нож сделан из железа и имеет длину 10 см. Размер атома железа — 0,1 нанометра (нанометр — миллиардная доля метра). Если предположить, что мы равномерно надавливаем на все лезвие с силой 10 ньютонов, то на острие будет давление 1 триллион паскалей. Это намного превосходит предел прочности всех мыслимых материалов, не только железа. Поэтому острие нашего ножа будет деформироваться до тех пор, пока его площадь не достигнет такой величины, при которой оказываемое давление сравняется с пределом текучести материала ножа. Для углеродистых сталей он составляет 200—350 миллионов паскалей, что соответствует площади острия 0,05—0,03 мм² при силе нажатия 10Н.

Таким образом, предельная острота ножа выражается площадью его острия, зависит от силы, с которой вы режете, и прочности материала ножа. Перед вами фотография острого кончика иглы. Его площадь всего 0,003 мм², а это значит, что нам достаточно усилия всего в 1 ньютон, чтобы достичь давления, предельного для прочности стали.

10. Нить накаливания лампы

Лампы накаливания дают очень приятный «теплый» свет, поскольку в основе их работы лежит простое свечение нагретого тела — тонкой вольфрамовой нити, дважды завитой в спираль. По этой нити пропускают ток, который нагревает её до пары тысяч градусов. Цвет и яркость свечения зависят от температуры нити. Если мы станем постепенно уменьшать напряжение, нить накала из белой станет желтой, затем красной, затем бордовой и при этом будет падать ее яркость. С другой стороны, если мы станем увеличивать напряжение, то яркость нити будет быстро возрастать, пока она не расплавится. Но даже когда кажется, что лампочка светит очень ярко, ее свет не может тягаться с солнечным. Вольфрам, самый тугоплавкий металл, плавится уже при 3422°C, а температура наружных слоев Солнца — около 6000°C.

11. Пиксели и субпиксели

На этом снимке, сделанным световым микроскопом, запечатлен экран смартфона. Видно, что изображение формируется на экране с помощью матрицы из светящихся пикселей. Каждый пиксель состоит из трех цветных субпикселей: красного, зеленого и синего. Комбинируя эти три базовых цвета и меняя их яркость относительно друг друга, можно получить любой цвет пикселя.

Таким способом можно получить даже белый цвет. Логотип «Чердака» на самом деле белого цвета на синем фоне. На экране три одновременно светящихся разноцветных субпикселя дают белый пиксель. Белый цвет можно увидеть, если отойти подальше от экрана, чтобы разноцветные огоньки перестали восприниматься по отдельности, или быстро водить головой из стороны в сторону так, чтобы вы не успевали различить отдельные пиксели, или, в конце концов, можно просто быстро трясти экран, только осторожно. Кстати, на больших мониторах пиксели можно разглядеть с помощью обычной лупы. А еще можно капнуть на экран телефона маленькую капельку воды, и она сработает как линза.

Белый цвет — это смесь всех цветов радуги. Почему же нас так легко обмануть, выдав за белый смесь всего трех различных цветов? Дело в том, что у нас в глазу всего три вида цветных рецепторов, благодаря которым мы видим все цветовое разнообразие окружающего мира. Эти рецепторы воспринимают в основном красный, зеленый и синий цвета, поэтому их смешение воспринимается нами как белый цвет.

12. Cуперигла

Выше мы убедились, что в обычной жизни предельно острый нож или игла совершенно не нужны — они все равно затупятся при первой же попытке ими воспользоваться. Однако сейчас производятся иглы, острие которых имеет толщину всего в несколько атомов. Перед вами фотография такой иглы — обратите внимание на масштабный отрезок. Это одна из самых острых игл в мире. Такие иглы используются в двух специальных типах микроскопов: атомно-силовых (АСМ) и сканирующих туннельных (СТМ). В этих микроскопах острие иглы подносится к образцу на расстояние около 1 нанометра (примерно в 10 раз больше размера атома) и как бы «прощупывает» поверхность. Разрешающая способность СТМ такова, что можно различить отдельные атомы. В АСМ разрешение хуже, но, в отличие от СТМ, он может зондировать не только проводники, но и диэлектрики. Кроме того, некоторые вещи возможно «прощупать» только в АСМ, например спиральную структуру ДНК.

13. Пробой СВЧ-резистора

Нас окружают сотни и тысячи электронных устройств, в которых работают миллионы электронных компонентов. Cамые простые и распространенные cреди них — резисторы, или, как их еще называют, «сопротивления». Если посмотреть на работу резистора невооруженным глазом, может показаться, что это какой-то вредитель: его задача — создавать в цепи сопротивление току, не давать электронам спокойно и упорядоченно двигаться по проводнику и превращать их драгоценную энергию в тепло, которое потом просто рассеивается в окружающей среде. Но без резистора не обойдется почти ни одна электрическая схема. Они нужны, чтобы согласовывать работу элементов и управлять распределением токов и напряжений в цепи.
Самый простой резистор и устроен просто: проволочку с высоким удельным сопротивлением наматывают на каркас — от количества витков и, соответственно, длины будет зависеть величина сопротивления. Но для устройств, работающих на высоких частотах, такой резистор не подойдет. Спираль из проволоки будет создавать слишком большую ненужную индуктивность. Поэтому в СВЧ-технике применяют не проволочные, а, например, металлопленочные резисторы. Тонкую проводящую пленку напыляют на подложку-диэлектрик. Чем тоньше пленка, тем сложнее передвигаться по ней электронам и тем больше сопротивление. Выводит тепло из такой системы подложка-диэлектрик, которая не проводит ток, но обладает хорошей термостойкостью и теплопроводностью.
На этом фото что-то пошло не так. На СВЧ-резистор подали слишком высокое напряжение, и ток побежал через подложку-диэлектрик, выжигая все на своем пути. Произошел коронарный пробой диэлектрика. От электрического контакта (белый полукруг) расходятся древовидные канальцы, их форму определяет кристаллическая структура подложки, выполненной из ситалла. Процесс удалось быстро остановить, и на подложке испорченного диэлектрика получился красивый «лес».

14. Разлом древесины

Многие привычные материалы и предметы трудно узнать, если их рассматривать с большим увеличением. На фото — обыкновенное дерево, место разлома. Делаются подобные снимки так. Внутри сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) создается глубокий вакуум, и на фотографируемый образец направляется тончайший пучок электронов, летящих с большой скоростью. При столкновении электрона с образцом могут произойти три вещи: либо электрон застрянет внутри, либо отскочит, либо отскочит сам и выбьет из атомов образца ещё несколько электронов. При этом и отскочившие, и выбитые электроны летят практически во все стороны. Внутри СЭМ установлены счетчики, которые реагируют на попадание электронов. Изображение получается за счет отклонения пучка, при котором электроны бомбардируют последовательно разные точки образца, строчка за строчкой (сканирование), и для каждой точки счетчики измеряют количество выбитых и отскочивших электронов. Светлые точки изображения соответствуют тем местам на образце, из которых выбилось много электронов, темные — местам, из которых их выбилось мало.

15. Диатомея


На этой фотографии вы видите крошечную одноклеточную водоросль диатомею. В отличие от других одноклеточных водорослей, у нее есть своеобразный панцирь, который состоит из диоксида кремния. Несмотря на свой маленький размер (около 26 мкм), диатомовые водоросли составляют около четверти органического вещества планеты и являются основным источником питания планктона. Некоторые виды, например Didymosphenia geminate, могут образовывать огромные колонии в пресных водах, что приводит к экологическим проблемам: из-за стремительного роста колоний уменьшаются площади обитания беспозвоночных и рыб. Ученые находят диатомеи не только в водоемах, но также и в почве, и даже воздухе.

16. Рукотворная радуга

Дифракция света — одно из самых зрелищных явлений природы.

Возьмите лазер и в темноте посветите им на стену через свой волос. Вокруг центра¬льного пятна лазера появятся две полосы, которые, если приглядеться, напомнят пунктирную линию. Приче¬м чем тоньше волос, тем больше шаг пунк-тира. Объяснение подобным явлениям было ¬найдено в XIX веке с открытием волновой теории света. Когда волны с разных напр¬авлений приходят в какую-либо точку прос¬транства синхронно, то в ней мы видим свет¬лое пятно (это явление называется «конструктивная интерференция»)¬. Если же они приходят в противофазе — темное пятно (¬это уже «деструктивная интерференция»).

Еще лучше понять это явление можно, если свет взаимодействует с достаточно мелкой¬ повторяющейся структурой — дифракционной решеткой. В этом случае свет, приходящий от каждого элемен¬та решетки, интерферирует друг с другом.

На снимке ниже запечатлен образец, на котором сф¬ормировано сразу 40 дифракционных решето¬к. Каждая из них размером около четверти миллиметра и имеет форму квадрата. Одна такая решетка содерж¬ит более 400 тонких параллельных металли¬ческих полосок. Чтобы сделать этот кадр, мы осветили образец сбоку под острым углом к горизонт¬али белым светом, который содержит в себе все цвет¬а радуги. А разные цвета радуги — это пр¬осто волны разной длины. Квадратики, получившиеся на снимке разных цветов, отличаются д¬руг от друга только периодом решетки. Дл¬я каждого периода решетки при данном угл¬е наблюдения произошла конструктивная ин¬терференция только для волны определенно¬й длины, поэтому на снимке у решеток так¬ой насыщенный цвет.

17. Кутикула нематоды

Это изображение кутикулы (защитной оболочки) тела нематоды C. elegans, которое удалось получить в ее естественной среде обитания с помощью сканирующего зондового микроскопа. Размер исследуемого участка поверхности всего 10 микрометров, на изображении хорошо видны такие характерные особенности кутикулы нематод C. elegans, как, например, периодичность между кольцевыми бороздками, которая меняется в зависимости от стадии развития червей. По мнению ученых, наноструктура оболочки нематод играет важную роль в способности к передвижению и поддержанию внутриполостного давления тела нематод.
Этот круглый червь находился в жидкости, и, чтобы получить изображение его оболочки, использовался метод атомно-силовой микроскопии. Микроскоп работал в режиме PeakForce QNM (количественное силовое картирование поверхностного распределения механических свойств). Микроскопический зонд (кантилевер) «прощупывает» поверхность червя и при этом совершает вертикальные колебания. При каждом касании поверхности острие зонда «прилипает» к образцу, и прибор в каждой точке строит кривую силы взаимодействия кантелевера с поверхностью. Затем данные обрабатывает компьютер и строит изображение поверхности. Такой режим позволяет использовать значительно меньшие силы, чем традиционный режим работы атомно-силового микроскопа, и поэтому его можно использовать даже для наблюдений таких деликатных образцов, как нематоды, в их естественной среде обитания и в наноразмерной шкале.
Кутикулу нематод на наноуровне возможно изучать и методом сканирующей электронной микроскопии, но для этого требуется дегидратация образцов и специальная пробоподготовка, которая сильно нарушает исходную структуру поверхности.
Изучение нематод C. elegans имеет большое прикладное значение, так как они широко используются в биомедицинских исследованиях — скрининге лекарственных средств или оценке токсичности. Количественная визуализация и изучение механических свойств помогут выявлять воздействие лекарственных средств на нематод.

18. Пыльца тюльпана

На этом снимке — пыльца тюльпана. Культивировать тюльпаны в качестве декоративных растений, вероятно, начали еще в X веке в Персии. Сегодня основной производитель тюльпанов — Нидерланды, где выращивают около трех миллиардов луковиц ежегодно. Пыльца нужна цветам для опыления и, соответственно, размножения. Самые маленькие клетки пыльцы — у незабудок, их размер — всего шесть микрон. Клетка пыльцы тюльпана на снимке намного больше — около 40 микрон в поперечнике.

19. Элемент современного процессора

Современные процессоры содержат элементы шириной всего 14 нм. Это меньше сотни атомов кремния, выстроенных в ряд. Такие тонкие технологии позволяют уместить миллиарды транзисторов в одном маленьком устройстве. Каждая микросхема — это сложная многослойная структура на подложке из кремния. Каждый слой состоит из миниатюрных полупроводниковых транзисторов или электрических проводов, соединяющих их в определенную цепь. Также микросхема содержит слои из диэлектриков, предотвращающих замыкание проводов друг с другом. Различные слои микросхемы должны быть идеально совмещены друг с другом. Для этого на поверхности образца формируется система из маркеров, подобных тому что изображены на картинке. Это просто крест. Их можно встретить на многих микросхемах. Это своего рода ориентиры для прицеливания перед началом формирования нового слоя. Крестики бывают разных размеров. Чем точнее необходимо совместить слои, тем меньше маркер. Представленный здесь маркер был предназначен для совмещения слоев с точностью в несколько десятков нанометров.

20. Загадочные «кубики»

На этом снимке — увеличенный фрагмент (кусочка листа дерева) среза обычного листа дерева. На нем можно получше рассмотреть загадочные «кубики», которые располагаются вдоль сосудов внутри листа. Вероятно, это закристаллизовавшиеся соли и сахара в соке растений. Перед исследованием в электронном микроскопе образцы всегда высушивают, поскольку глубокий вакуум — необходимое условие его работы. Если в тканях образца есть вода, то она испаряется, а растворённые вещества остаются.

21. Волос под микроскопом

Когда люди хотят подчеркнуть малую толщину чего-либо, часто они сравнивают это с толщиной волоса. Действительно, его диаметр чрезвычайно мал — всего около 1/20 мм. На снимке — маленький кусочек волоса. Для невооруженного глаза он выглядит пылинкой. А вот под микроскопом прекрасно видны чешуйки, о которых все знают из рекламы шампуней. Для масштаба на изображении нарисован отрезок длиной 10 микрометров (микрометр — это миллионная доля метра).

22. Кристалл нитрида галлия
Первые красные светодиоды появились в 60-х годах прошлого века, желтые и зеленые — чуть позже, но получить недорогой и эффективный способ производства ярких синих светодиодов ученым не удавалось десятилетия. Все дело в полупроводнике — материале, из которого делают светодиоды. Чем меньше длина волны, тем шире должна быть запрещенная зона. Для синих светодиодов отлично подходит нитрид галлия (GaN) — широкозонный полупроводник, но работать с ним оказалось очень сложно.

Лишь в 90-х годах японским ученым удалось усовершенствовать технологию и получить яркие синие и белые светодиоды, которые можно было бы производить в промышленном масштабе. В 2014 году работа японцев Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамуре (гражданин США) была отмечена Нобелевской премией по физике.

Изобретение технологии получения ярких синих и белых светодиодов привела к настоящей «цветной революции» в светодиодной технике. Светодиоды стали использовать для создания цветных изображений, сочетая три основных цвета — красный, зеленый и синий, или выделять нужный цвет из спектра белого светодиода. На самом деле в таком устройстве диод светит в ультрафиолетовом диапазоне, а специальное вещество на нем, люминофор, переизлучает свет в белом или другом нужном цвете. Благодаря нитриду галлия и различным светоизлучающим структурам на его основе сегодня цветной монитор есть у каждого смартфона или ноутбука, светодиоды все чаще заменяют обычные лампочки и становятся все лучше и дешевле. Более того, эффективность светодиодных ламп превышает эффективность ламп накаливания в 20 раз, а люминесцентных ламп — более чем в четыре раза.

На фотографии представлен катодолюминесцентный снимок массивного (объемного) кристалла нитрида галлия (GaN), сделанный с помощью электронного сканирующего микроскопа. Создание бездефектного объемного кристалла нитрида галлия на сегодняшний день является актуальной проблемой, над которой работают сотни научно-исследовательских групп по всему миру. Получение совершенных кристаллов GaN увеличит еще больше эффективность и надежность современных синих и белых светодиодов на его основе. На снимке видно, что кристалл имеет гексагональную структуру (правильные шестиугольники на снимке) и растет мозаично, образуя границы зерен кристалла. Более светлые участки говорят о том, что в процессе роста легирующая примесь встраивается неравномерно в объеме кристалла, что, возможно, связано с особенностями роста, с наличием дислокаций, которые активно взаимодействуют с примесями в GaN.

via cherdak

Это сообщение отредактировал Timseverin - 22.03.2018 - 18:03

Продолжу немного.
Глаз мухи под микроскопом

Зарождение плодовых мушек. Личинки развиваются в разлагающихся растительных остатках, фруктах, овощах, грибах.

5000-кратное увеличение молотого черного перца