מיקרוסקופ אופטי רגיל, שמבוסס על החזרת קרני אור, מסוגל לפתוח בפנינו צוהר אל מיקרו יקום עשיר ומלא ההתרחשויות, הנסתר מהעין האנושית מפאת גודלו הזעיר. מיקרוסקופ כזה מוגבל ביכולתו להבחין בעצמים מתחת לגודל מסוים, מעצם אופיים הפיזיקלי של חלקיקי האור - הפוטונים. עם המצאת מיקרוסקופ האלקטרונים בשנת 1933 נפרצה מגבלה זו, וניתן להשתמש בו כדי לחקור אירועים ועצמים בקנה מידה של ננומטרים בודדים.

מיקרוסקופ אופטי הוא מכשיר המבוסס על שימוש בקרני אור ועל מערך עדשות המסודרות באופן המאפשר הגדלה של עצמים קטנים [1]. בזכות היכולת הזו, אנו מסוגלים לחקור את העולם הזעיר שסביבנו, שאף זכה לכינוי ״עולם מיקרוסקופי״. מכיוון שמיקרוסקופ אופטי משתמש בקרני אור, יש מגבלת רזולוציה התלויה באורך הגל בו משתמשים. הפיזיקאי הגרמני ארנסט אבה ניסח תנאי [2] הקובע את גבול הרזולוציה של מערכת אופטית והמקשר בין אורך הגל וזווית קונוס האור (המִפְתָח הנומרי) היוצא מנקודה בעצם מסוים ונכנס למכשיר האופטי, לבין גודל העצם שניתן לראות באמצעותו.

לכן, אם נרצה לצפות בעצמים קטנים מגבול הרזולוציה שמתקבל מתנאי אבה, נצטרך להשתמש באורך גל קצר יותר או לחלופין להגדיל מאוד את המפתח הנומרי (קיימות שיטות הנדסיות מתוחכמות ל״שבירת״ גבול הדיפרקציה, אולם לא נעסוק בהן כאן [3]). הגדלת המפתח הנומרי אינה פשוטה, מכיוון שהיא עוסקת בהגדלת עצמים פיזיים (מערך עדשות) למימדים בלתי סבירים של מכשיר מעבדתי. בנוסף, הגדלה משמעותית של המפתח הנומרי מעוותת את שדה הראייה כך שהחסרונות עולים על היתרונות.

מגבלות אלה נחשבו במשך שנים לחסם פיזיקלי שלא ניתן להתגבר עליו, עד שבשנת 1923 פירסם הפיזיקאי הצרפתי הנודע, לואי דה-ברויי [4], את עבודת המחקר פורצת הדרך שלו עליה גם קיבל פרס נובל. בעבודה זו הוא ניסח את העקרון שלימים ייקרא ״השערת דה-ברויי״. ההשערה קובעת שלחלקיקי החומר, ובפרט לאלקטרונים, יש גם אופי גלי. למעשה, לפי דה-ברויי כל העצמים הקיימים ביקום מקיימים את דואליות הגל-חלקיק [5]. פועל יוצא של השערה זו היא שניתן להגדיר אורך גל גם לאלקטרונים. מכיוון שלפי השערת דה ברויי אורך הגל עומד ביחס הפוך לתנע החלקיק (ולכן גם למהירותו), אם נאיץ אלקטרון ונגדיל את התנע שלו, הוא יהיה בעל אורך גל קצר מאוד וכך נוכל לשפר מאוד את הרזולוציה לפי תנאי אבה.

שני עקרונות אלה, של ארנסט אבה ושל לואי דה ברויי, הם הבסיס למיקרוסקופ האלקטרונים. מכשיר זה עושה שימוש בזרם של אלקטרונים שאליו ניתן להתייחס כסוג של ״פנס״, בדומה לשימוש באור (זרם של פוטונים) במיקרוסקופ האופטי. את זרם האלקטרונים יוצרים באמצעות תותח אלקטרונים [6] שנמצא בראש המיקרוסקופ. התותח פולט אלקטרונים באמצעות חימום תיל טונגסטן לטמפרטורה גבוהה מאוד כך, שאלקטרונים מהתיל ״נתלשים״ ממנו (אך האפקט אפשרי גם בדרכים אחרות ובאמצעות חומרים נוספים). על אלקטרונים אלו מופעל שדה חשמלי חיצוני עצום שמטרתו להאיץ את האלקטרונים במורד המיקרוסקופ ועד לדגימה שבה מעוניינים לצפות בהגדלה. ככל שהאלקטרונים מואצים למהירות גבוהה יותר, כך אורך הגל מתקצר והרזולוציה משתפרת. בדומה לעדשות הזכוכית במיקרוסקופ אופטי, שמעקמות את קרני האור, ניתן לעקם גם את קרן האלקטרונים באמצעות ״עדשות״ מגנטיות [7] ואלקטרוסטטיות [8] שמפיקות שדות חשמליים ומגנטיים, המקיימים אינטראקציה עם האלקטרונים ומשפיעים על תנועתם.

כאשר זרם האלקטרונים פוגע בדגימה, הוא תולש ממנה אלקטרונים המכונים ״אלקטרונים חוזרים״ ואלה בתורם, נאספים לתוך גלאי. כמות האלקטרונים שנאספת מכל נקודה על הדגימה, תלויה בגיאומטריית פני השטח בו פגעה הקרן. כך ניתן לשחזר עבור כל נקודה את צורתה, זווית הנטייה שלה ומאפיינים נוספים בצורה מדוייקת. בתנועת הקרן על פני הדגימה ניתן לשלוט באמצעות מערך נוסף של סלילים בהם זורם זרם חשמלי, שתפקידו הסטת הקרן מנקודה לנקודה. מיקרוסקופ כזה נקרא מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, או בקיצור SEM (אך ישנם סוגים נוספים של מיקרוסקופי אלקטרונים).

לעומת מיקרוסקופ אופטי שמסוגל להגדיל עצמים פי 1000, מיקרוסקופ אלקטרונים מאפשר הגדלה של עצמים פי 10 מיליון מגודלם המקורי. לכן, למיקרוסקופ כזה שימושים נרחבים מאוד בתעשייה ובמחקר - מצפייה במולקולות ביולוגיות זעירות וחקר וירוסים, ועד מדידת מאפיינים של מיליוני טרנזיסטורים זעירים שמודפסים על פיסת סיליקון קטנה בתעשיית השבבים. יש לציין שגם לטכנולוגיה זו יש מגבלות ובין היתר היא איטית באופן משמעותי לעומת מיקרוסקופ אופטי, מה שמונע ממנה להפוך לטכנולוגיה מובילה בתעשיות רבות.

בדוגמאות ביולוגיות שיש להן מוליכות חשמלית נמוכה, יש צורך בציפוי במתכות שונות (כגון זהב), על מנת לאפשר להן להחזיר את האלקטרונים לגלאי ולפרוק את המטען החשמלי, אחרת קשה לשחזר את פני שטח הדוגמה. בנוסף, פעמים רבות צובעים דוגמאות ביולוגיות במלחי מתכות שונים, אשר מצד אחד נצמדים למולקולות ביולוגיות מסוימות (כגון השומנים שבקרום התא) ומצד שני מעלים את מוליכות הדוגמה באזורים בהם הם נצמדים – כך נוצרים אזורים עם מוליכות שונה באזורים שונים וניתן להבחין במבנים שונים בקלות רבה יותר.

מקורות / לקריאה נוספת:

[1] רקע כללי על מיקרוסקופים

[2] על התנאי של ארנסט אבה

[3]על השיטות ההנדסיות

[4] לואי דה-ברויי

[5] פוסט קודם שלנו על דואליות הגל - חלקיק

[6] תותח אלקטרונים

[7] עדשות מגנטיות

[8] עדשות אלקטרוסטטיות