Cuộc cách mạng trong thế giới vi mô

David Muller bên kính hiển vi FEI Titan.

Từ kính hiển vi quang học tới kính hiển vi điện tử truyền qua

Từ nhiều thế kỷ trước, các nhà khoa học luôn khao khát nhìn được tận mắt các cấu trúc nhỏ bé mà mắt thường không thể nhìn thấy. Antonie van Leeuwenhoek (1632 – 1723), nhà khoa học người Hà Lan, với phát minh ra kính hiển vi quang học vào cuối thế kỷ 17 đã hiện thực hóa mơ ước quan sát thế giới vi mô. Sự ra đời của kính hiển vi quang học, sử dụng ánh sáng khả kiến và thấu kính thủy tinh giúp cho thế giới vi sinh vật lần đầu tiên được quan sát. Ở thời đại của Leeuwenhoek, các công cụ ghi ảnh còn rất hạn chế nên các hình ảnh quan sát được thậm chí phải vẽ lại bằng tay. Nhờ công cụ kính hiển vi, các nhà khoa học đã lần đầu tiên nhìn được các tế bào và các vi khuẩn mà trước đó họ không có cách gì nhìn được ¹. Cho đến ngày nay, kính hiển vi sử dụng ánh sáng khả kiến được trang bị nhiều kỹ thuật tối tân hơn rất nhiều so với thời đại của Leeuwenhoek, với các công cụ ghi ảnh, các hệ thống tạo ảnh với nhiều cơ chế tương phản, vi chỉnh,.. Với sự kết hợp của nhiều hiệu ứng quang học đặc biệt, kính hiển vi quang học có thể phân giải tới cấp độ vài chục nanomet, và thành tựu gần đây nhất đã được trao giải Nobel Hóa học năm 2014.

Với các nhà nghiên cứu vi sinh vật, vài chục nanomet có thể là kích cỡ rất nhỏ so với các cấu trúc mà họ từng mong ước. Nhưng trong mắt các nhà nghiên cứu vật lý, vật liệu thì giới hạn phân giải này còn quá lớn đối với các thế giới vi mô, nơi các cấu trúc có kích cỡ vài trăm lần nhỏ hơn như vậy, ví dụ đơn giản như khoảng cách giữa các mặt tinh thể hay bán kính nguyên tử vào cỡ vài Å tới dưới 1 Å (1 Å = 1/10 nm = 1/10.000.000.000 m). Có nghĩa là ánh sáng khả kiến hoàn toàn trở nên vô ích khi cố “nhìn” các cấu trúc này ². Sự phát hiện ra tia X, bức xạ điện từ có bước sóng cực ngắn, và việc sử dụng tia X trong phân tích tinh thể học giúp cho các nhà khoa học xác định chính xác các kích thước siêu nhỏ trong cấu trúc tinh thể, nhưng tia X việc tạo ra các thấu kính hội tụ X để biến thành các hình ảnh không hề dễ dàng ³.

Hình 1. Độ phân giải của kính hiển vi điện tử TEM đã được nâng cấp hàng ngàn lần kể từ khi lần đầu tiên xuất hiện hơn 80 năm trước. Hình được sửa đổi từ hình nguyên bản trên Nature⁴ 

Thật may mắn là các nhà khoa học lại nhìn thấy một loại sóng khác tiềm năng, sóng điện tử. Điện tử là một hạt vật chất (mang điện tích), nhưng theo nguyên lý de Broglie nó cũng đồng thời là một sóng khi chuyển động. Là một hạt mang điện tích âm, có khối lượng, khi được gia tốc bằng điện trường, điện tử có thể chuyển động như một sóng có bước sóng cực ngắn. Cũng nhờ điện tích, các tia điện tử có thể được điều khiển tính truyền qua từ trường tương tự như ánh sáng truyền qua thấu kính thủy tinh ⁵. Đây là những cơ sở quan trọng để một thiết bị hiển vi mới ra đời vào năm 1931: kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope – TEM), bởi do công của Ernst Ruska và Ruska và Knoll. Thiết bị được ra mắt lần đầu tiên vào tháng 4/1932 với độ phóng đại chỉ vỏn vẹn 14 lần ⁶. Thế nhưng, chỉ sau đó vài tháng, Ruska đã nâng cấp chất lượng của thiết bị này và khiến cả thế giới kinh ngạc với độ phóng đại 12 ngàn lần – một độ phóng đại mà không một thiết bị nào khác có thể làm được khi đó. TEM khiến giới khoa học khắp thế giới mê mẩn và chạy đua để tạo ra các thiết bị mới tối tân hơn. Nó nhanh chóng được phát triển và thương mại hóa ở Anh, Đức, Mỹ, Nhật, với độ phân giải đạt tới 2 nm vào năm 1944 cùng độ phóng đại 100 ngàn lần. Và hơn 10 năm sau đó, nhân loại lần đầu tiên quan sát được hình ảnh các mặt tinh thể platinum phthalocyanine (C32H16N8Pt) bởi các nhà nghiên cứu ở Anh vào năm 1956 ⁷, và hình ảnh các nguyên tử Silicon trong mạng tinh thể sau đó hơn 23 năm ở Đức ⁸, bằng kỹ thuật “hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao” (High-resolution Transmission Electron Microscopy – HRTEM). Ngày nay, HRTEM đã trở thành một kỹ thuật chụp ảnh quen thuộc có thể thực hiện ở hầu hết các thiết bị TEM để quan sát các mạng tinh thể với độ phân giải phổ biến từ 0,8 – 3 Å (thậm chí đạt tới 0,5 Å) ⁹. Trong nhiều thập kỷ, TEM liên tục được phát triển với sự phát minh ra các kỹ thuật ghi ảnh như CCD camera, hay nguồn điện tử siêu đơn sắc, giúp cho TEM trở thành thiết bị quan sát tối tân với độ phân giải mà không thiết bị nào có thể đạt được. Bên cạnh khả năng quan sát, TEM là một thiết bị phân tích tối tân nhờ tương tác giữa điện tử và mẫu vật. Việc phân tích phổ năng lượng các bức xạ phát ra từ tương tác này (ví dụ tia X), hoặc phân tích phổ năng lượng điện tử truyền qua cho phép ghi nhận các nguyên tố hóa học, hay các liên kết quá học, và cho phép TEM vượt ra ngoài biên giới quan sát để trở thành một thiết bị phân tích cực mạnh với độ phân giải và chính xác cao.

 
Hình 2. Từ những hình ảnh phân giải cao đầu tiên của mạng tinh thể platinum phthalocyanine (a) ghi nhận lần đầu tiên năm 1959,6 cho tới các nguyên tử Ag trong mạng tinh thể của một hạt nano (b), các nguyên tử Si trong mạng tinh thể (c) và đơn nguyên tử Si (màu vàng) trong mạng tinh thể graphene (d) ¹⁰. Các bức ảnh (b,c) được chụp bởi tác giả bằng kỹ thuật HRTEM và HR-STEM tại Manchester có độ phân giải lần lượt 1,1 Å và 0,7 Å.

Một biến thể của TEM được manh nha từ năm 1938 là STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy), có nghĩa là “kỹ thuật hiển vi điện tử truyền qua quét”, là chế độ hoạt động ở TEM dựa trên một chùm điện tử hội tụ thành một mũi dò siêu nhỏ, và quét qua mẫu (như các chùm tia điện tử quét trong màn hình TV cũ) ¹¹. Kỹ thuật này cho phép xây dựng ra hình ảnh theo từng điểm ảnh được quét, và độ phân giải phụ thuộc vào kích thước mũi dò điện tử. Với sự phát triển của thấu kính từ và các kỹ thuật loại trừ quang sai, người ta đã xây dựng các thiết bị STEM với mũi dò điện tử siêu nhỏ tới mức dưới 0,5 Å ¹². Điều này cho phép thực hiện song song việc chụp các bức ảnh hiển vi siêu phân giải kết hợp với các phép phân tích với độ phân giải siêu cao, và hiện thực ước mơ quan sát các nguyên tử của nhân loại (Hình 2).

Cách mạng quan sát và phân tích

Sự phát triển của TEM càng thôi thúc các nhà nghiên cứu phân tích vật liệu đi sâu hơn vào thế giới vi mô ở mức độ hạ nguyên tử. David Muller cùng nhóm nghiên cứu của ông tại Đại học Cornell (Hoa Kỳ) đã dành nhiều năm sử dụng TEM để phân tích cấu trúc nguyên tử của vật liệu MoS2. Họ gặp phải nhiều trở ngại khi cố tìm cách “nhìn” vị trí và động học các nguyên tử lưu huỳnh (S) trong mạng tinh thể MoS2. Điều khó khăn ở đây là nếu dùng chùm điện tử năng lượng quá cao (nhằm tạo ra độ phân giải lớn) thì lại dẫn tới việc phá hủy mạng tinh thể. Nhóm của Muller đã cố gắng hạ năng lượng chùm điện tử xuống 80 kV ¹³. Nhóm đã đạt một thành tựu vượt bậc với bức ảnh mạng tinh thể MoS2 (hình 3) với độ phân giải kỷ lục 0,39 Å bằng cách phát triển thiết bị ghi nhận chùm điện tử siêu nhạy (có thể ghi nhận từng điện tử đơn lẻ tới cả chùm mạnh), kết hợp với phương pháp phục hồi ảnh ptychography ¹⁴. Thiết bị ghi nhận chùm điện tử của nhóm Muller được gọi là “cảm biến mảng điểm ảnh hiển vi điện tử” (electron microscope pixel-array detector – EMPAD) với khả năng “vừa ghi nhận được các chấm đen trên mặt trời, mà đồng thời có thể chụp được ảnh khuôn mặt bạn tôi ở dưới bóng cùng một lúc” (theo lời của Muller) ⁴. Thành tựu này làm kinh ngạc cả các nhà sản xuất lớn về thiết bị này: “Họ đã vượt qua các hãng lớn một cách kinh ngạc” – nhận xét của Damien McGrouther, nhà vật lý ở Đại học Glasgow (Anh) đang hợp tác phát triển thiết bị này cùng với công ty Quantum Detector ở Oxford (Anh). Phát minh của Muller về cảm biến này đã được chuyển giao cho tập đoàn Fisher Scientific hiện đang sở hữu thương hiệu kính hiển vi điện tử FEI nổi tiếng. Muller phấn khích ví von về công cụ TEM của mình: “Kính hiển vi nguyên bản nếu được ví như máy bay cánh quạt thì giờ chúng tôi đang có một máy bay phản lực.”
 

Hình 3. David Muller bên kính hiển vi FEI Titan (trái) và hình ảnh các mạng tinh thể MoS₂ trước và sau khi xử lý nhờ thuật toán ptychography. Nút khuyết nguyên tử lưu huỳnh S được chỉ ra ở vị trí mũi tên ¹⁵.

Phát triển các cảm biến và camera ghi nhận điện tử siêu nhạy và siêu nhanh đang trở thành một cuộc cách mạng trong việc nâng cao độ phân giải cho TEM. Ngày nay, các camera siêu nhanh có thể cho phép chụp tới 1000 khung hình trên giây để ghi lại các quá trình động học ở thang nguyên tử. Nhờ sự hỗ trợ của các kỹ thuật chế tạo, TEM đã không còn đơn thuần là chiếc máy chụp ảnh và phân tích tĩnh, mà nó đã và đang được biến thành một phòng thí nghiệm trong buồng chân không để quan sát các quá trình động học vi mô (từ việc đốt nóng, làm lạnh, phản ứng pha lỏng, khí,..). Và xu thế này đang giúp các nhà khoa học hiểu được tường tận quá trình phản ứng, hay động học phân tử ở cấp độ nguyên tử. Cách tiếp cận này được gọi là “in-situ TEM”, cho phép các nhà khoa học tiến hành vừa quan sát sự thay đổi cấu trúc (ở cấp độ nguyên tử) song song với việc đo đạc tính chất, qua đó hiểu một cách chính xác mối tương quan giữa tính chất và cấu trúc vật liệu, hay sự tạo thành các cấu trúc và tính chất trong các quá trình phản ứng ở cấp độ nguyên tử. Đã có nhiều nhà khoa học dùng thuật ngữ “lab in a TEM” để mô tả TEM như một phòng thí nghiệm ở cấp độ nguyên tử.
***
Kính hiển vi điện tử truyền qua, TEM, một công cụ quan sát và phân tích tối tân được dùng trong các nghiên cứu thế giới vi mô, đã và đang âm thầm thực hiện một cuộc cách mạng trong việc tìm hiểu thế giới vi mô ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử. Trong hơn 80 năm tồn tại, nhân loại đã từng bước nâng cấp TEM và biến nó thành một “phòng thí nghiệm” phân tích tinh vi mà không một thiết bị phân tích nào có thể sánh được. Đã có hai giải Nobel được trao cho các thành tựu về TEM ¹⁶ như một sự ghi nhận sự đóng góp vĩ đại của công cụ này cho các nghiên cứu về thế giới vi mô.

Tài liệu tham khảo và chú thích
^1. Các công trình của Antonie van Leeuwenhoek được xuất bản trên các tạp chí của Hiệp hội Hoàng gia Anh (Royal Society), hiện nay có thể tham khảo tại: https://web.archive.org/web/20110717184722/http://www.vanleeuwenhoek.com/Letters.htm 
^2. Giới hạn phân giải của các thiết bị hiển vi dùng thấu kính và bức xạ bị giới hạn bởi bước sóng của bức xạ. Trường hợp kính hiển vi quang học, ánh sáng có bước sóng từ hơn 300 nm – 700 nmm, sẽ không thể phân giải các cấu trúc nhỏ dưới một nửa thang này.
^3. Tia X có bước sóng nằm trong khoảng 0,01 – 10 nm, có nghĩa là nó có khả năng tạo phân giải ở cấp độ nanomet. Ngày nay, nhân loại cũng có cả kính hiển vi tia X với độ phân giải vào cỡ 10 – 30 nm.
^4. Tư liệu từ Nature (https://www.nature.com/articles/d41586-018-07448-0). 
^5. Các công trình của Hans Busch (1884 – 1973), một giáo sư vật lý ở Đại học Jena tiên đoán về tính chất truyền các tia điện tử qua từ trường tương tự như sự truyền sáng qua thấu kính là cơ sở cho phát minh về thấu kính từ vào năm 1928 bởi nhóm của Adolf Matthias, và là cảm hứng để Ernst Ruska và Max Knoll phát minh ra TEM vài năm sau.
^6. Trong bài giảng Nobel năm 1986 khi được trao giải Nobel Vật lý 1986, Ernst Ruska thú nhận rằng lúc đầu ông và Max Knoll đã rất thất vọng và thậm chí xấu hổ không dám gọi là “kính hiển vi”.
^7. J. W. Menter, F. P. Bowden, The direct study by electron microscopy of crystal lattices and their imperfections, Proc. R. Soc. A 236, 119–135 (1956).
^8. Xem thêm: https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/def_en/kap_6/backbone/r6_3_4.html 
^9. Thiết bị Jeol ARM300F TEM được lắp đặt tại PTN Diamond (Anh) có thể đạt độ phân giải tới 50 pm (0,5 Å). Xem chi tiết: https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Imaging-and-Microscopy/ePSIC/Capabilities/JEOL-ARM300F-.html 
^10. Ảnh từ SuperSTEM gallery: https://www.superstem.org/research/picture-gallery 
^11. STEM phải đợi tới hơn 30 năm sau mới thật sự được phát triển nhờ việc tạo ra nguồn phát điện tử có chất lượng cao.
^12. Thiết bị siêu phân giải STEM mạnh nhất thế giới được xây dựng tại PTN SuperSTEM (Daresbury, Anh) có thể chụp ảnh và phân tích với độ phân giải tới 0,5 Å (xem thêm https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2017.03.016).
^13. Năng lượng chùm điện tử phổ biến ở TEM là 80 – 300 kV, một số thiết bị cá biệt dùng năng lượng cực lớn có thể từ 400 – 1000 kV.
^14. Ptychography là thuật toán lần đầu được mô tả bởi Hegerl and Hoppe vào năm 1972, và sau đó được phát triển thành phương pháp khôi phục sóng dựa trên nhiễu xạ bởi nhà vật lý John Rodenburg ở Đại học Sheffield (Anh), lần đầu được giới thiệu kết hợp trong các kỹ thuật hiển vi điện tử vào năm 2012.
^15. Jiang, Y. et al. Electron ptychography of 2D materials to deep sub-ångström resolution, Nature 559, 343–349 (2018).
^16. Nobel Vật lý năm 1986 cho Ernst Ruska về phát minh ra TEM (cùng chia giải với Heinrich Rohrer, Gerd Binnig về phát minh ra STM), và Nobel Hóa học năm 2017 cho Joachim Frank, Richard Henderson, Jacques Dubochet về những đóng góp cho cryo-TEM.