Như nhiều cơ sở giáo dục khác, Đại học Tsukuba đã đóng cửa khuôn viên và chuyển sang hình thức học trực tuyến cho tất cả sinh viên nhằm giảm thiểu sự lây lan của virus corona mới. Để đối phó với tình hình này, các giảng viên của trường đang nỗ lực hết sức để duy trì chất lượng giảng dạy và tránh mất sinh viên gặp khó khăn khi học qua mạng.

Tuy nhiên, dù chúng tôi có thành công trong việc bảo tồn chất lượng bài giảng, có vẻ như việc tiến hành các thí nghiệm thực hành trực tuyến là khá khó khăn. Đặc biệt, không có phương thức nào thay thế được trải nghiệm điều chỉnh các nút điều khiển trên các thiết bị bằng tay, mắc sai lầm và nghĩ ra những giải pháp sáng tạo cho các vấn đề phát sinh - tất cả đều là các yếu tố cần thiết trong quá trình đào tạo thực nghiệm. Trong khóa học về kỹ thuật SEM trong một khóa học có tựa đề "Giới thiệu Vật lý Thực nghiệm và Đo lường", chúng tôi đã giới thiệu gần đây một đổi mới trong giáo dục - mặc dù không thể thay thế được thực nghiệm thực tế nhưng ít nhất đã tạo ra một phần trải nghiệm thực nghiệm cho sinh viên, và ý tưởng này đã được sinh viên đón nhận tốt: Chúng tôi sử dụng viễn kiểm kính hiển vi TM4000 Plus chân không thấp trên bàn để quan sát các mẫu muối khác nhau, sau đó trình bày kết quả đo lường cho sinh viên và yêu cầu họ viết báo cáo bàn luận về các thí nghiệm. Hình 1 thể hiện một phần của tư liệu tham khảo được chuẩn bị cho mục đích này.

Hình 1 Ảnh SEM (electron tán xạ ngược) và kết quả phân tích EDX (điện áp gia tốc 10 kV) đối với các loại muối khác nhau.

Sinh viên đã được trình bày dữ liệu mô tả hình dạng (hình ảnh electron phản xạ ngược) và thành phần (phổ EDX và bảng) của 4 loại muối: muối bình thường, muối từ vùng đầm muối Guérande và muối đá Himalaya màu hồng và đen (bị nghiền bằng cối) - và được yêu cầu liên kết dữ liệu này với hương vị của từng loại muối. Có sự biến đổi đáng kể về hình dạng và kích thước hạt ngay cả trong cùng một loại muối, do chúng có mức độ tinh khiết khác nhau và chứa nhiều loại tạp chất; một cuộc thảo luận về môi trường tạo thành tinh thể muối có thể đã tạo ra một báo cáo dài vài trang.

Ngoài ra, những câu trả lời kỳ lạ mà chúng tôi nhận được cho một số câu hỏi - xác định nhôm nền là thành phần chính của muối bình thường, đánh giá quá cao sự hiện diện của cacbon trong phổ EDX và nghi ngờ phát hiện lượng lớn chất hữu cơ trong muối Guérande - đã gây ra tiếng cười vui mừng (không có ý định). Việc không thể thảo luận kết quả với sinh viên đã buộc chúng tôi phải đối mặt trực tiếp với câu hỏi khó khăn về cách dạy nghệ thuật giải thích dữ liệu thực nghiệm nguyên thủy.

Một lợi thế của các kính hiển vi trên bàn ngày nay là tính khả dụng của chế độ hoạt động chân không thấp, cho phép quan sát các mẫu mà không cần phải sử dụng lớp phủ dẫn điện. Đối với SEM đặc biệt, điều này đã mang lại một tiến bộ cách mạng, mở rộng ngay lập tức phạm vi các mẫu có thể quan sát được. Mặc dù các kính hiển vi trên bàn tại Đại học Tsukuba là thiết bị sử dụng chung, ngoại trừ các hạt nano từ tính, không có hạn chế nào về các mẫu rắn có thể quan sát. Tuy nhiên, có vẻ như sự thật này không được rộng rãi công nhận; trong thực tế, hầu hết các nhà nghiên cứu ở độ tuổi 40 hoặc cao hơn vẫn tin rằng việc quan sát các vật liệu cách điện bằng SEM đòi hỏi việc sử dụng lớp phủ - và, hơn nữa, các mẫu chứa độ ẩm và các mẫu quan sát khác có thể gây hư hại đến thiết bị nên được tránh một cách tận tuỵ. Ngược lại, các thế hệ nhà nghiên cứu trẻ hơn - những người học kỹ thuật sau khi kỹ thuật SEM chân không thấp được đưa vào sử dụng - cảm thấy không bị ràng buộc bởi các hạn chế về quan sát SEM; trong tình huống tồi tệ nhất, người ta có thể gặp các sinh viên vô tình đưa chất lỏng vào buồng mẫu.

Ví dụ cuối cùng của chúng tôi liên quan đến tinh thể muối và nhện. Hai năm trước, một số cơn bão lớn đã đổ bộ vào Nhật Bản, gây ra sự tàn phá lớn ngay cả ở các khu vực như Chiba và Ibaragi, nơi hiếm khi gặp các thảm họa tự nhiên. Tại Tsukuba, sáng sau khi một cơn bão lớn đi qua khu vực này, tôi thức dậy vào một ngày nắng với bầu trời trong xanh sau bão - nhưng nắp ca-pô của ô tô lại có cảm giác như bị dính khi chạm vào, thu hút sự chú ý của tôi đến việc cơn bão đã mang đến nhiều thứ không thể tin nổi bởi sức gió cực mạnh. Đúng vào thời điểm đó, chúng tôi phát hiện một mạng nhện trên bên cạnh tòa nhà trường, và quyết định lấy mẫu một phần của nó để quan sát trong TM4000 Plus, kết quả được thể hiện trong Hình 3. Theo từ điển động vật học của chúng tôi, các sợi dọc của mạng nhện bao gồm những bó sợi xoắn chồng lên nhau, trong khi các sợi ngang bao gồm một sợi duy nhất có các giọt chất nhớt. Dường như phương pháp lấy mẫu của chúng tôi không phân biệt được hai loại sợi này, và do đó mẫu thí nghiệm của chúng tôi bao gồm một vòng xoắn của cả hai loại. Hình ảnh SEM (phản xạ ngược) (Hình 3, bên trái) tiết lộ các vết trắng trên các sợi, chúng tôi đã phân tích chi tiết hơn bằng cách sử dụng bản đồ phần tử EDX, cho ra hình ảnh màu được hiển thị ở phía bên phải Hình 3. Những vết trắng xuất hiện như các khu vực sáng trên các bản đồ Na và Cl, cho thấy chúng là tinh thể muối. Những ý tưởng huyền ảo như thế này - không chỉ là cơn bão có thể mang nước biển đến Tsukuba, nằm cách đại dương 100 km, mà còn là việc các hạt muối trong nước có thể tinh chế và bám vào các sợi của mạng nhện - dường như quá khó tin đối với chúng tôi, ngay cả khi chỉ đơn giản là tưởng tượng! Trước khi hình thành những tinh thể này, muối ngưng tụ trong các hạt mưa, tạo ra những giọt mưa mặn cuối cùng đã bám vào mạng nhện. Không cần phải nói, suy nghĩ của chúng tôi ngay lập tức dành cho những chú nhện nghèo nàn, và chúng tôi hy vọng chúng sẽ tránh mắc bệnh cao huyết áp do uống quá nhiều nước mặn.

Hình 3: Các sợi mạng nhện được lấy mẫu vào ngày sau cơn bão. Bên trái: Hình ảnh SEM (phản xạ ngược), được chụp ở điện áp tăng tốc 10 kV. Bên phải: Hình ảnh bản đồ phần tử X-ray.