Před patnácti lety (27. 5. 1988) zemřel Ernst Ruska, německý elektroinženýr a laureát Nobelovy ceny za fyziku, který zkonstruoval první elektronový mikroskop.
Dějiny mikroskopie, které neobyčejně výrazně obohatily lidské poznání, začínají v 17. století. Jejich první kapitolu vytvořil holandský obchodník a vědec-samouk Anthony van Leeuwenhoek (1632 – 1723), jenž pro lepší pozorování detailů živé přírody sestrojil první, dosud velmi primitivní mikroskop. Koncem 17. století van Leeuwenhok díky svému vynálezu objevil krevní kapiláry a popsal jednobuněčné organismy. Svými výzkumy se stal jedním ze zakladatelů anatomie rostlin. V následujících stoletích se optika mikroskopu vylepšovala a van Leeuwenhoekovi pokračovatelé mohli díky zvětšení studovat nejen prvoky a baktérie, ale i složení a činnost buňky.
Novou část dějin mikroskopie otvírá německý vědec Ernst Ruska (1906 – 1988), vynálezce elektronového mikroskopu, přesněji řečeno transmisního elektronového mikroskopu (TEM). Toto zařízení umožňuje zvětšení výrazně překročující možnosti optického mikroskopu, který je limitován délkou světelného paprsku (400 – 600 nm).
Jaký je princip elektronové mikroskopie? Světelné paprsky jsou zde nahrazeny svazkem urychlených elektronů, jehož vlnová délka, výrazně nižší než vlnová délka světla, je závislá na urychlujícím napětí (lze dosáhnout 6 pm). Skleněné čočky, regulující sbíhavost a rozbíhavost paprsku světla u optického mikroskopu, jsou zde nahrazeny elektromagnetickými čočkami. Každý TEM se z tohoto důvodu skládá z osvětlovací a zobrazovací soustavy, ze zdrojové a ovládací soustavy, doplněné o vakuovou trubici.
Zjednodušený popis činnosti transmisního elektronového mikroskopu pak vypadá takto: Zrychlený, usměrněný proud elektronů emitovaný zdrojem je veden vakuem a probíhá tenkým mikroskopovaným vzorkem – zde se využívá toho, že se část elektronů odráží od atomů a molekul tvořících hmotu vzorku. Jejich opětovným soustředěním pomocí magnetové čočky se vytváří „stínový obraz“ mikroskopovaného vzorku. K jeho zviditelnění se u zdokonalených typů elektronových mikroskopů využívá stejného principu, na jehož základě vzniká obraz na monitoru počítače.
První jednoduchý transmisní elektronový mikroskop zkonstruoval Ernst Ruska již v roce 1931. Vycházel přitom z teoretických poznatků a experimentů svých krajanů Ernsta Abbeho, jednoho ze zakladatelů firmy Carl Zeiss Jena, a Hanse Busche, především však z teorie francouzského teoretického fyzika Louise de Broglie, jenž v polovině 20. let minulého století formuloval základy vlnové mechaniky. Ernst Ruska, který vystudoval elektrotechniku v Mnichově a Berlíně, se původně zabýval problematikou vysokého napětí v prostředí vakua. Od roku 1928, jak uvádí ve své autobiografii, se jeho zájem zaměřil na jevy magnetického pole ovlivňovaného silným elektrickým proudem, které studoval společně s profesorem Maxem Knollem. Na základě tohoto studia se mu podařilo vyvinout výše zmíněné magnetické čočky, což byl první krok ke konstrukci transmisního elektronového mikroskopu, s nímž vědeckou veřejnost seznámil zhruba před 70 lety.
Tento mikroskop, umožňující do té doby nevídané zvětšení, začal jako první ve své vědecké práci uplatňovat Dr. Helmut Ruska, vynálezcův bratr. Na konci 30. let vznikl poblíž Berlína Ústav elektronové optiky a v této době spatřily světlo světa i první transmisní elektronové mikroskopy, určené k prodeji dalším vědeckým pracovištím. Válečná léta tomuto směru vědeckého bádání příliš nepřála, ale po roce 1945 byla činnost ústavu znovu obnovena. V první polovině 50. let Ernst Ruska a jeho spolupracovníci zkonstruovali vylepšený elektronový mikroskop Elmiskop 1, který vyráběla společnost Siemens a jehož služby k objevování „neviditelného světa“ využívalo na 1 200 vědeckých institucí a univerzit po celém světě. V roce 1957 se Ernst Ruska stal ředitelem nově založeného berlínského Ústavu pro elektronovou mikroskopii, přičemž současně působil jako profesor na Technické univerzitě v Berlíně.
Výsledný obraz, jehož lze docílit transmisním elektronovým mikroskopem, může být až stotisíckrát větší než pozorovaný předmět. Podle způsobu zobrazování se elektronové mikroskopy dnes dělí na transmisní, emisní a odrazové (v praxi málo používané) a novější řádkovací (skenovací či rastrovací). Není jistě nutno zvlášť zdůrazňovat, že se elektronový mikroskop stal cenným nástrojem v řadě vědeckých odvětví, od mikrobiologie a medicínu po fyziku a technologii materiálů. Díky němu byly s vysokou rozlišovací schopností studovány jednotlivé části buňky i pochody, které v nich probíhají, stejně jako např. povrch a struktura krystalů řady materiálů.
Na základě revolučních prací na poli elektronové mikroskopie vyvinuli Gerd Binning a Heinrich Rohrer ve švýcarském výzkumném pracoviště IBM v Zurichu skenovací tunelový mikroskop (scanning tunneling microscope, STM). Tato metoda, lety neustále vylepšovaná, umožnila lidskému oku nahlédnout na povrch hmoty v rozměru nanometru. Skenovací tunelové mikroskopie se začalo využívat nejen v mikroelektronice (zvláště ke studiu a konstrukci polovodičů), ale především připravila půdu pro rozvoj nanotechnologie.
Vývoj elektronové mikroskopie ovšem nekončí. Mezi nejvýznamnější inovace patří dále především atomový silový mikroskop (atomic force microscope, AFM) a skenovaci sondový mikroskop (scanning probe microscope, SPM), který kombinuje metody STM a AFM. Jednou z jeho modifikací je například chemický silový mikroskop (chemical force microscope, CFM), sloužící k pozorování vazeb mezi jednotlivými molekulami.
Trojice vědců, Ruska, Binning a Rohrer, získala v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku. Polovina náležela Ernestu Ruskovi „za fundamentální práce na poli elektronové optiky a za objev elektronového mikroskopu“, o druhou polovinu se rozdělili Gerd Binning a Heinrich Rohrer – „za konstrukci skenovacího tunelového mikroskopu“.
Více informací:
http://ernst.ruska.de.
