Visste du at huda til ein hai er like skarpt som eit barberblad? (Foto: Adam Fahy)
Visste du at huda til ein hai er like skarpt som eit barberblad? (Foto: Adam Fahy)

Derfor brukar vi helium for å sjå på dei ørsmå tennene på huda til ein hai

POPULÆRVITENSKAP: Å sjå på noko i eit mikroskop kan skade det du ser på. Men ikkje når du brukar eit heliummikroskop.

Publisert

Visste du at huda til ein hai er like skarpt som eit barberblad? Det er heilt sant. Viss du stryk handa langs huda til ein hai vil du raspe deg opp noko frykteleg. Men kvifor er det slikt?

Den beste måten å finne svaret på dette er å sjå svært nærme på eit liten bit haihud. Dette kan ein til dømes gjere ved å bruke eit forstørringsglas. Dessverre vil ein fort innsjå at forstørringa ikkje er høg nok til å faktisk forstå kvifor det er slik.

Neste steg vil vere å nytte eit optisk mikroskop, som du kanskje kjenner frå biologitimen på skulen. Igjen, dette vil heller ikkje gje deg svaret, for trass i at forstørringa er god nok, vil du berre kunne få eit skarpt bilde av ein liten del av haihuda.

Dette er eit problem fordi huda til haien består av mange små tenner som stikk ut av huda. Desse såkalla hud-tennene kan ha ulike former som gir ulike funksjonar, og er blant anna ein av tinga dei som beskriv, identifiserer, namngjev og klassifiserer dyr og planter brukar til å få meir informasjon om ulike typar hai, vanene deira så vel som evolusjon. Desse hudtennene stikk så langt ut av huda at det ikkje er mogeleg å studere dei med eit optisk mikroskop.

Eit anna alternativ er å sjå på huda med eit elektronmikroskop, som nyttar elektron i staden for lys for avbilding. Men dette krev at du behandlar huda og dermed potensielt endrar huda si naturlege form og struktur. I tillegg kan og vil dei energetiske elektrona skade hudprøven du studerer.

Eit mikroskop som ikkje skadar det den skal studere

Men heldigvis finst det ein ny avbildingsteknikk: nøytral helium-mikroskopi. Dei raude, skinande Lynet McQueen-ballongane, som vanlegvis gleder mange barn rundt om i verda, er fylt med tusenvis av nøytrale heliumatom. Men dette er ikkje det einaste dei kan brukast til.

Atomane er eit optimalt val til å studere og avbilde overflater til mange ulike material, også huda til haien. På same måte som reflekterte foton vert brukt i optisk mikroskopi for å danne eit bilete, kan ein bruke reflekterte heliumatom til å lage eit bilde. I dette tilfellet kan ein avbilde ei overflate og sjå på endringar i overflatestruktur frå millimeter- nesten ned til nanometer-skalaen. Ein millimeter er ein million nanometer, og i praksis har teknikken ikkje heilt nådd nanometerskalaen. Men med tid vil det gå.

Helium har unike eigenskapar

Ulikt frå foton og elektron som begge treng seg inn i materiale, kan refleksjon av heliumatom ganske enkelt skildrast som ein ping-pong ball som sprett av overflata, utan å verken skade eller endre ho.

Dette skyldast dei spesielle eigenskapane til heliumatoma. Dei er monoatomiske, ufarlege lite reaktive og utan lading. Det gjer at det er mogeleg å undersøkje leiande, isolerande, magnetiske, organiske, skjøre og porøse material.

Energien i dei romtempererte heliumatoma som blir brukt til å ta biletet, er 10 000 gonger mindre enn energien til elektrona i eit vanleg elektronmikroskop. Det er også om lag 20 gonger lågare enn synleg lys. Dermed vil ikkje prøven bli skada på nokon måte.

Heliumatom er dermed det optimale valet for skadefri avbilding av overflater, og kan også nyttast til molekylærmikroskopi av biologiske molekyl. Atoma sprett av overflata utan å gjere nokon from for skade.

Sjeldne mikroskop som kan brukast til mykje

Heliummikroskopi kan brukast i halvleiarindustrien, materialteknologi (kvalitetskontroll) og nanoteknologi. Det kan også nyttast til å undersøkje overflater innan alt frå taksonomi (som vår haihud) til medisin. Det bør nemnast at prøvane vert avbilda i eit vakuumkammer, og dermed kan ein ikkje avbilde prøvar som inneheld vatn, til dømes levande celler. Det er ei utfordring vi jobbar med å løyse.

Til dags dato finst det fire nøytrale heliummikroskop i verda. Eitt av desse finn ein hos Universitetet i Bergen si nanofysikk-gruppe. Dette var også den første gruppa som produserte eit bilde med nøytrale heliumatom. Det er eit relativt lite forskarsamfunn som arbeider med teknikken, men godt samarbeid mellom dei ulike gruppe har resultert i stor framgang.

Og med omsyn til huda til haien. Saman med heliummikroskopigruppa i Newcastle, Australia, har vi avbilda tenna i huda til haien som gjer huda skarp som eit barberblad. Du kan lese forskingsartikkelen her.

Les forskinga bak artikkelen:

Markus Koch mfl. «Imaging with neutral atoms-a new matter-wave microscope». J. Microsc. 2008. doi: 10.1111/j.1365-2818.2007.01874.x

Sabrina D. Eder mfl. «Focusing of a neutral helium beam below one micron». New J. Phys., 2012. doi: 10.1088/1367-2630/14/7/073014

Adam Fahy mfl. «Image formation in the scanning helium microscope.» Ultramicroscopy, 2018. doi: 10.1016/j.ultramic.2018.05.004

Ranveig Flatabø mfl. «Fast resolution change in neutral helium atom microscopy.» Rev. Sci. Instrum, 2018. doi: 10.1063/1.5029385

Thomas A. Myles mfl. «Taxonomy through the lens of neutral helium microscopy» Sci. Rep., 2019. doi: 10.1038/s41598-018-36373-5