Vynálezce elektronového mikroskopu čekal na udělení Nobelovy ceny padesát pět let

Technologický pokrok, jímž se v historii světové vědy a techniky pyšní první desetiletí 20. století, by nebyl možný bez mohutného pracovního nasazení a badatelských úspěchů fyziků a dalších přírodovědců, kteří navazovali na objevy svých velkých předchůdců. Pro  vývoj fyzikálního poznání byla nejzásadnější jedna z nejstarších věd, která hraje v podstatě velkou roli dodnes - optika. V té době však již nešlo jen o prostou optiku, tedy nauku o šíření světla, ale nově o teorii elektromagnetismu, do níž zkoumání světla rovněž spadá. Letos si připomínáme 30 let od úmrtí zakladatele elektronové mikroskopie, Ernsta Augusta Fridricha Rusky.

Pokroky ve fyzice, elektrotechnice a elektronice v časovém období mezi dvěma světovými válkami, tedy od roku 1919 do roku 1939, umožňovaly nejen zásadní inovaci přístrojů a zařízení sloužících vědeckému výzkumu, ale i vynálezy a vývoj principiálně zcela nové laboratorní a měřicí techniky. Jako předzvěst budoucího stavu se také objevily první případy pronikání fyzikálních věd do průmyslové výroby. Základní výzkum se sice stále prováděl v univerzitních laboratořích, ale špičkoví vědci již nepracovali izolovaně, ale stáli v čele pracovních týmů, které měly blízko k průmyslovým pracovištím aplikovaného výzkumu. Na vysokých školách se začali uplatňovat technici, kteří nejen poskytovali tvůrčím osobnostem vědy podněty pro hledání globálních teorii, ale vyvolávali také vznik a rozmach nových technických nebo interdisciplinárních věd.

Pohled přímo do nitra hmoty

Pohled na úroveň jednotlivých molekul či dokonce atomů je lidskému zraku svou podstatou zapovězen. Jednak samozřejmě proto, že oči jsou přizpůsobeny k vidění ve světě naší běžné zkušenosti, kde je důležitým objektem pozorování  nezbytná potrava nebo neočekávaný nepřítel, nikoliv třeba atom uhlíku a molekula vody. Příroda však nastavila lidskému vidění ještě další nepřekonatelný limit, kterým je vlnová povaha světla. Ta jednoznačně zapovídá odlišit od sebe dva body, které jsou si blíže než 250 nm, což je tzv. difrakční limit optického mikroskopu, daný vlnovou délkou použitého světla. K rozplétání světa molekul a atomů začalo docházet skutečně krůček po krůčku. Zcela zásadním způsobem přispěl k poznání světa dimenzí měřených v nano- a pikometrech, slavný německý fyzik a elektroinženýr, nositel nejvyššího vědeckého ocenění - Nobelovy ceny, univerzitní profesor Ernst August Fridrich Ruska, a to elektronovou mikroskopií, tedy prostřednictvím interakce proudu elektronů se zkoumanou látkou.

Životopis

Ernst Ruska se narodil uprostřed vánočních svátků roku 1906 v univerzitním městě Heidelbergu  profesoru fyziky Juliu Ruskovi a jeho ženě Elisabeth. Měl staršího bratra Helmuta, který později poprvé využil elektronový mikroskop pro lékařské a biologické aplikace. Nadaný Ernst vystudoval klasické gymnázium, chtěl se však věnovat něčemu praktickému.Oproti představám svého otce, aby se i on věnoval teoretické fyzice, zvolil si studium na technice v Mnichově (1925-1927) a později na Technické univerzitě v Berlíně, kde získal v roce 1931 elektroinženýrský diplom a roku 1934 doktorát z technických věd (PhD). Po studiích pracoval u firem Brown-Boveri v Mannheimu a v laboratořích Siemens-Reiniger-Werke AG v Berlíně, kde se až do roku 1955 věnoval aplikovanému fyzikálnímu výzkumu; od roku 1937 v laboratoři nově založeného Ústavu elektronové optiky v Berlíně-Siemensstadtu. V roce 1937 se oženil a s manželkou měli tři děti.

Po skončení druhé světové války se společně s novými kolegy zapojil do úspěšné rekonstrukce Ústavu, který byl bombardováním zcela zničen a personál rozpuštěn. Již v roce 1949 zde byly vyrobeny první přístroje. V roce 1955 se stal ředitelem Ústavu elektronové mikroskopie přidruženého k Fritz-Haber-Institutu der Max-Plank-Gesellschaft. Od roku 1957 až do roku 1974, kdy odešel do důchodu, působil souběžně také jako profesor na své alma mater. Vynálezce elektronového mikroskopu, jednoho z nejužitečnějších vědeckých přístrojů zkonstruovaných ve 20. století (žádný jiný přístroj neslouží tolika vědním oborům), zemřel před 30 lety v roce 1988 ve věku 82 let v tehdy ještě západní části rozděleného Berlína.

Ačkoliv je dnes stav poznání na nesrovnatelně vyšší úrovni než v letech Ruskova fyzikálního bádání, musejí vědci často přiznat:

Jsme stále na začátku

Elektronovou optiku jako samostatný vědní obor moderní fyziky založil v polovině dvacátých let minulého století německý fyzik a profesor na univerzitě v Jeně Hans Busch. Ten již v roce 1926 dokázal, že se elektronové paprsky dají magnetickými čočkami (rotačně symetrickým magnetickým polem) zaostřovat právě tak dobře jako světelné paprsky vypuklou skleněnou čočkou. Ernst Ruska se elektronově-optickým systémům  věnoval již během studia na univerzitě v Berlíně pod vedením svého učitele Dr. Maxe Knolla. Byli první, kdo se zabývali zobrazováním plošných oblastí svazkem elektronů, a v roce 1929 ověřili možnost zobrazení jedinou magnetickou čočkou. K experimentům používali elektronů emitovaných studenou katodou známou z výbojek a jejich prvními preparáty byly drátěné síťky a otvory v plechu.

Zrod elektronové mikroskopie

Při zobrazování objektů v praxi vznikaly četné technické problémy. Bylo nutno získat svazky elektronů o stejné energii (monochromatické) a zkonstruovat elektrostatické a magnetické čočky s malými zobrazovacími vadami. To se Ruskovi, vedoucímu týmu vědců a techniků ve výzkumném středisku koncernu Siemens, posléze podařilo vyřešit. V roce 1931 doplnili elektronový objektiv další čočkou a ověřili tím možnost dvojstupňového zvětšení. Den provedení prvního pokusu s prototypem dvojčočkového elektronového mikroskopu - 7. duben 1931 - lze považovat za zrod elektronové mikroskopie. Na tomto místě je nutno uvést, že ve stejném roce 1931 se modelem elektronového mikroskopu zabýval také sovětský fyzik akademik Alexandr Alexejevič Lebeděv (1893-1969).

K čemu to bude dobré?

Ačkoliv se nejdříve zdálo, že další německý výzkum nebude v této oblasti pokračovat pro nedostatek finančních prostředků, neboť nikdo nejevil o přístroj zájem, záhy se projevila jeho užitečnost zejména pro medicínský a biologický výzkum. Přístroj zpočátku nezvětšoval více než tehdejší mikroskopy optické (maximálně přibližně dvousetnásobně), během několika let však dosahuje Ruska takových pokroků, že dosáhne třicetitisícové zvětšení, a v kombinaci s mikroskopem optickým dokonce tehdy nevídané stotisícové. Ještě před vypuknutím druhé světové války zahájil v roce 1939 koncern Siemens kusovou výrobu elektronových mikroskopů, opatřených již tehdy fotografickou kamerou Leitz; umožňovaly až 30 000 násobné zvětšení.

Současné elektronové mikroskopy umožňují zvětšení přes dva miliony

Vědci jimi zkoumají biologické materiály (mikroorganismy a jednotlivé buňky), různá seskupení molekul, krystalové struktury kovů, vzorky biopsií, průmyslových materiálů (jakými jsou např. polovodiče a supravodiče) a vlastnosti různých povrchů, testují miniaturní elektrické obvody aj. Ruskovy publikace v oblasti elektronové optiky a elektronové mikroskopie zahrnují řadu příspěvků do monografických publikací a více než 100 původních vědeckých prací. Kromě mnoha německých ocenění získal Dr. Ruska ve Spojených státech prestižní cenu lékařského výzkumu Alberta Laskera. Za základní práce v elektronové mikroskopii a vývoj prvního elektronového mikroskopu byl prof. Ing. Ernst Ruska, PhD., odměněn Nobelovou cenou za fyziku, pro kterou si v roce 1986 přišli ještě dva další vědci: Švýcar Heinrich Rohrer (1933-2013) a Němec Gert Bining (1947), kteří ji získali jako duchovní otci řádkovacího tunelového mikroskopu (STM), který funguje na principu mapování povrchu vzorku coby ekvipotenciální plochy měřením jeho okamžité vzdálenosti od měřicí sondy v horizontální rovině proudem, který je umožněn tunelovým jevem.