Достижения современной науки и технологии во многом связаны с появлением в арсенале экспериментаторов принципиально нового инструмента – сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), предоставившего возможность визуализировать, диагностировать и модифицировать вещество с нанометровым уровнем пространственного разрешения. Именно благодаря СЗМ, еще недавно казавшиеся фантастическими прямые эксперименты с отдельными молекулами и атомами стали вполне реальными и даже обычными не только для фундаментальных исследований, но и для прикладных разработок в нанотехнологии.

В основе сканирующей зондовой микроскопии и спектроскопии лежит взаимодействие между твердотельным зондом, приближенным к объекту исследования на некоторое малое расстояние λ, где λ- характерная длина затухания взаимодействия «зонд-объект». Для получения изображения поверхности объекта, а также пространственного распределения его физико-химических свойств используются прецизионные системы механического сканирования зондом относительно образца (или образцом относительно зонда), причем система автоматического регулирования стабилизирует параметры наноконтакта между зондом и объектом в процессе сканирования.

Пространственное разрешение СЗМ определяется характерным размером наноконтакта между зондом и образцом и может достигать атомных масштабов. Образно выражаясь, можно сказать, что, если в оптическом или электронном микроскопах образец осматривается, то в СЗМ - ощупывается и обстукивается. Прототипом СЗМ в определенном смысле является стетоскоп, с помощью которого еще в позапрошлом веке врач прослушивал больного. Действительно, размер стетоскопа (зонда) и расстояние от него до объекта исследования много меньше длины волны детектируемых акустических колебаний, именно поэтому, сканируя стетоскопом, удается определить положение сердца в грудной клетке с пространственным разрешением во много раз превосходящим длину волны звука.

Природа взаимодействия между зондом и объектом весьма разнообразна, что и определяет разнообразие типов СЗМ или методов измерений. В сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) детектируется туннельный ток, протекающий между зондом и объектом; в сканирующих силовых микроскопах (ССМ) детектируется локальная сила, действующая между зондом и объектом, причиной которой могут быть Ван-дер-Ваальсовское, электростатическое, магнитное взаимодействия, трение и т. п.; работа ближнепольных оптических микроскопов (БОМ) основана на использовании оптических фотонов, существующих около малого отверстия с диаметром меньшим длины волны света в области ближнего поля, интенсивность которого экспоненциально затухает на расстоянии порядка длины волны света. Существуют также емкостные (детектируется локальная емкость), акустические, (детектируются звуковые колебания), электрохимические (детектируются токи локальных электрохимических реакций) и другие типы СЗМ.

СЗМ-методы позволяют не только визуализировать и диагностировать микро- и нанообъекты различной природы, но и манипулировать одиночными нанообъектами и модифицировать их структуру с высоким пространственным разрешением. Для этих целей используются электронные токи большой плотности, сильные электрические поля и механические давления, которые можно легко реализовать в локальном наноконтакте.

Первым СЗМ, по-видимому, следует считать профилометр Янга (Young R. Phys.Today, V.24.P.42.(1971)) в котором детектировался автоэмиссионный ток между сканирующим металлическим зондом и исследуемой поверхностью. Экспериментальный подход Янга получил блестящее развитие в работах Г. Биннига и Г. Рорера, которые привели к появлению СТМ с атомным пространственным разрешением и были удостоены Нобелевской премии по физике в 1986 г.

Поскольку СЗМ стал одним из базовых инструментов нанотехнологии, которая в свою очередь является одной из основных движущих сил развития цивилизации в XXI веке, становится совершенно очевидной необходимость скорейшего внедрения СЗМ в учебный процесс. С этой целью и разработан Сканирующий зондовый микроскоп для учебных целей NanoEducator. Его отличительными особенностями являются:

− простота в обращении;

− отсутствие сложных настроек и юстировок;

− использование видеокамеры для визуального контроля состояния зонда;

− недорогой и многократно восстанавливаемый зонд;

− дружественный программный интерфейс в ОС Windows 98/2000/XP;

− подключение электронного блока к PC через USB порт;

− многозадачность, обеспечивающая возможность пользования компьютером одновременно с работой прибора;

− комплектация прибора необходимыми для учебного процесса тест-объектами.

СЗМ NanoEducator позволяет реализовать различные методы измерений туннельной и «полуконтактной» атомно-силовой микроскопий и может использоваться не только в учебных, но и в научных целях при исследованиях в области физики и технологии микро- и наноструктур, материаловедения, катализа, физики и химии полимеров, трибологии, цитологии и т. п.