Глава 11 Атомный конструктор

Вот мы и добрались до атомов. Многие убеждены, что манипулирование атомами и сборка различных объектов из атомов составляют квинтэссенцию нанотехнологий, то, что отличает их от “старых” технологий и служит основой революционных технологий будущего. Убеждение это ложное, оно сложилось в значительной мере благодаря публикациям в научно-популярной литературе и СМИ. Откуда здесь ноги растут, я расскажу вам в следующей главе, это довольно занимательная история. Но все это нисколько не умаляет значимости самого открытия. То, что ученые научились напрямую манипулировать атомами, действительно определяет одну из важнейших вех в истории развития науки.

Для того чтобы научиться манипулировать атомами, их надо было для начала увидеть. Долгое время считалось, что эту задачу невозможно решить в принципе. Размер атомов очень мал. Оценили его еще в XIX веке, исходя из данных по размеру молекул, опять же оценочных, и структуры молекулы, которую представляли образованной из сферических атомов. Он составил что-то около одной десятой нанометра. Чтобы не заморачиваться с лишними знаками после запятой, ученые стали использовать эту величину в качестве специальной единицы измерения, названной ангстремом по имени предложившего ее в 1868 году шведского физика Андерса Ангстрема, или, точнее, Онгстрёма (1814–1874).

Разглядеть столь малые объекты с помощью оптических микроскопов – единственных имевшихся тогда в распоряжении ученых приборов – было действительно невозможно, как ни умножай количество линз и ни улучшай их качество. Законы оптики положили нашим желаниям так называемый дифракционный предел, мы не можем разглядеть по отдельности два объекта, если они находятся на расстоянии, меньшем двухсот-трехсот нанометров. Некоторую надежду подарило открытие в 1895 году рентгеновских лучей с длиной волны порядка одного нанометра и приблизительно таким же дифракционным пределом. Но как сфокусировать рентгеновские лучи? В природе просто не было веществ, из которых можно было изготовить необходимые линзы.

Ученые в конце концов научились использовать рентгеновские лучи для исследования структуры вещества. О методе рентгеноструктурного анализа, созданном в 1912 году, я уже рассказывал в пятой главе. При просвечивании кристалла рентгеновскими лучами на фотопластинке возникал сложный узор, состоящий из точек и дужек. Но это не было изображением атомов, это был образ плоскости, состоящей из атомов определенного сорта и расположенных в кристалле в строгой периодичности.

Рентгеновские лучи находились на нижней границе электромагнитного излучения, ученые полагали, что спуститься ниже уже невозможно, и проблема визуализации атомов зашла в тупик. Прорыв произошел в 1924 году, когда француз Луи де Бройль[59] (1892–1987) сформулировал гипотезу о двойственной природе электрона: в одной из своих ипостасей электрон был волной, в сущности, электромагнитным излучением. Научному сообществу потребовалось некоторое время, чтобы переварить эту ересь, в 1929 году де Бройлю присудили Нобелевскую премию по физике, еще через два года пришла пора практического приложения.

По легенде, немецкие физики Макс Кнолль (1897–1969) и Эрнст Руска (1906–1988) натолкнулись на идею электронного микроскопа случайно. Они разрабатывали системы фокусировки и управления пучком электронов и при этом получили изображение объекта, оказавшегося на пути пучка. Возможно, все так и было, но, честно говоря, к тому времени идея уже созрела и лежала на поверхности. Подтверждением этому служит тот факт, что ее реализовали практически одновременно несколько исследователей. В историю по разным причинам вошел Эрнст Руска.

Он родился в Гейдельберге в профессорской семье. После окончания Технического университета в Мюнхене и короткой стажировки в компании “Siemens” Руска в 1928 году приступил к выполнению диссертации в Техническом университете Берлина под руководством Макса Кнолля. Темой работы было воздействие магнитного поля на пучки электронов. Диссертацию Руска защитил лишь в 1934 году – ему пришлось на пару лет отвлечься на создание прототипа электронного микроскопа, а кроме того, в 1933 году он перешел работать в одну из берлинских фирм, где занимался разработкой телевизионных передатчиков и приемников.

В 1937 году Руску пригласили в “Siemens”, где его назначили главным по электронным микроскопам. Руска поразительно быстро превратил созданный за пять лет до этого прототип в коммерческую модель. Уже в 1939 году компания “Siemens” выпустила на рынок электронные микроскопы с разрешающей способностью в десять нанометров. Существенно, что “в комплекте” предлагались методики применения электронной микроскопии в медицине и биологии, их разработкой в компании занимался брат Эрнста Руски – Гельмут, врач по образованию. “Siemens” долгое время была мировым лидером в этой области, соответственно, Руска стал крупнейшим в мире специалистом по электронной микроскопии.В 1955 году Руска возглавил вновь созданный Институт электронной микроскопии в Западном Берлине и одновременно стал преподавать в Техническом университете. Руске посчастливилось дожить до присуждения ему в 1986 году Нобелевской премии по физике. С момента его изобретения миновало пятьдесят пять лет.Первый прибор, собранный Кноллем и Руской, давал увеличение всего в четыреста раз, то есть был ничем не лучше оптических микроскопов. Но это не имело никакого значения, дело было в принципе. Они заменили световой луч пучком электронов. Кроме того, предложили принципиальную схему устройства, которая не претерпела изменений по сей день.

Эта схема чрезвычайно напоминает схему оптического микроскопа, а устройство просвечивающего электронного микроскопа в определенном смысле даже проще, чем у оптического. Во-первых, оптические линзы заменены катушками индуктивности, магнитное поле которых поддается легкой регулировке, по аналогии эта часть устройства получила название магнитных линз. Во-вторых, чрезвычайно упростилась задача получения “света” с определенной длиной волны. Эта величина для электрона зависит от его энергии: разгоняя электроны в электрическом поле, можно плавно регулировать их энергию и соответствующую ей длину волны, вплоть до значений порядка тысячных долей нанометра. Регистрация изображения также не представляла труда, это мог быть и экран, покрытый люминесцирующим составом, и фотопластинка.

Улучшение характеристик просвечивающих электронных микроскопов было делом техники. Сейчас созданы приборы сверхвысокого разрешения, обеспечивающие увеличение в миллион раз. С их помощью, например, мои аспиранты получают фотографии синтезированных ими наночастиц различных солей, на которых видны ровные ряды шариков – составляющих их атомов. Они показывают эти фотографии бестрепетно, как нечто само собой разумеющееся.

В 30–40-е годы о таком разрешении никто даже не мечтал, а если и мечтал, то молча, чтобы не подвергнуться насмешкам со стороны коллег. У просвечивающей электронной микроскопии при ее несомненных достоинствах есть и вполне очевидные, естественные ограничения. Для получения и манипулирования пучками электронов необходим высокий вакуум, таким образом, исследовать можно только твердые и сухие образцы. Кроме того, из самого названия метода следует, что образец должен быть хотя бы частично прозрачен для пучка электронов, для большинства веществ это соответствует толщине образца порядка десятков и сотен нанометров.

Поэтому в просвечивающей электронной микроскопии часто используют косвенный метод исследования. Для этого получают так называемую реплику – тонкий слепок с поверхности изучаемого объекта. Это напоминает процесс получения гипсовых масок или слепков, используемый в других областях человеческой деятельности. Для изготовления, например, углеродных реплик в вакуумированной камере испаряют углерод с угольных стержней, нагретых пропусканием электрического тока, пары углерода конденсируют на поверхность изучаемого объекта, а затем аккуратно отделяют полученную пленку. Толщина такой пленки составляет около десяти нанометров, ее получение само по себе служит воплощением нанотехнологий. Методика эта стала для исследователей настолько привычной, что они зачастую забывают об этом упомянуть, когда демонстрируют полученные фотографии, полагая, что слушателям это и так понятно. Понятно бывает не всем, и это приводит к разного рода недоразумениям.

Необходимо также учитывать, что электроны, используемые в методе просвечивающей электронной микроскопии, разгоняют до очень высоких скоростей. Зависимость тут простая: чем меньшую длину волны мы хотим получить, тем сильнее нам надо разогнать электрон. Понятно, что эти высокоэнергетические электроны оказывают сильное воздействие на вещество. Кристаллы неорганических веществ они прошивают без катастрофических последствий, но вот на органическую молекулу могут подействовать подобно разрывной пуле. Что уж говорить об единичных атомах или небольших молекулах – те просто отлетят в сторону.

Альтернативу методу просвечивающей электронной микроскопии стали искать сразу. Можно даже сказать, что исследования проходили параллельно и независимо, ведь главным тут было использование электронных пучков для получения изображения, а эта идея была довольно очевидной. Один из таких методов был разработан в конце 1930-х – начале 1940-х годов и получил название растровой электронной микроскопии. Массовое производство соответствующих приборов для научных исследований началось в 1960-х годах.

Принципиальное отличие растровой микроскопии от просвечивающей состоит в том, что регистрируют не прошедшие через образец, а отраженные под определенным углом электроны. (Кроме собственно отраженных электронов регистрируют еще вторичные электроны, “выбитые” из атомов анализируемого объекта, а также рентгеновское и другое излучение, порожденное взаимодействием высокоэнергетических электронов с веществом, – это дает много дополнительной информации об изучаемом объекте.)

Тонкий сфокусированный электронный пучок диаметром в несколько нанометров используют в качестве зонда , которым сканируют поверхность объекта, совершая возвратно-поступательные движения по линии или развертывая движение в растр – совокупность близкорасположенных параллельных линий, по которым пучок электронов обегает выбранный для исследования участок поверхности. Последнее что-то напоминает, не так ли? Действительно, аналогичный принцип заложен в конструкции электронно-лучевых трубок старых телевизоров. В этом нет ничего удивительного, ведь оба устройства изобрел один и тот же человек – Владимир Козьмич Зворыкин[60] (1888–1982).

Пространственное разрешение растрового (сканирующего) электронного микроскопа зависит в первую очередь от диаметра электронного пучка. Лучшие современные приборы обеспечивают разрешение порядка десятых долей нанометра, что вплотную приближается к размеру атомов. В целом разрешение сканирующих электронных микроскопов хуже, чем у просвечивающих. Но у них есть и свои достоинства: визуализация сравнительно большой области образца, возможность прямого исследования массивных образцов, а не только тонких пленок, а также бо?льшая резкость изображения, позволяющая получать “объемные” изображения. При этом желательно присутствие тяжелых атомов с высоким коэффициентом эмиссии вторичных электронов, которые обеспечивают наилучшее изображение. Поэтому перед исследованием на образец часто наносят тонкую (15–20 нм) однородную пленку металла, предпочтительно золота. Это делается путем вакуумного испарения или ионного распыления. Об этом, кстати, тоже забывают сказать, но зато фотографии получаются замечательные, особенно разных микроскопических живых существ.В те же 30-е годы прошлого века Эрвин Мюллер изобрел еще один микроскоп – полевой эмиссионный, или автоэлектронный.Эрвин Мюллер родился в 1911 году в Берлине, там же окончил Технический университет, в 1936 году защитил диссертацию по физике. Работал Мюллер в исследовательской лаборатории компании “Siemens” еще до прихода туда Руски. И принцип действия разработанного им микроскопа был совершенно иным, чем у Руски. Мюллер предположил, что если взять металлическую (электропроводящую) иглу и подать на нее большой отрицательный потенциал, то с кончика иглы будут эмитироваться электроны, которые полетят к положительно заряженной пластинке, покрытой люминесцирующим составом, и воспроизведут на ней увеличенное изображение кончика иглы вплоть до атомарного уровня. Если кто и мечтал увидеть атом воочию, так это Эрвин Мюллер, он на это жизнь положил.

Уже первый вариант микроскопа, созданный Мюллером в 1936 году, обеспечивал разрешение в два нанометра. Это было лучше параметров просвечивающего микроскопа Руски, но Мюллер был недоволен: получить изображение атомов не удавалось.

Он продолжал упорно работать над совершенствованием своего прибора, но тут в дело вмешалась война. После ее окончания Мюллер, как и Руска, оказался в Западном Берлине, где проводил свои исследования в Институте физической химии и электрохимии, одновременно преподавая в Техническом университете. И тут на помощь Мюллеру пришел случай, вернее, две досадные случайности. В высоковакуумную установку по недосмотру попало небольшое количество водорода, а сам исследователь ненароком поменял полярность напряжения между иглой и пластинкой. Пучок заряженных частиц состоял теперь не из электронов, а из положительно заряженных ионов водорода (протонов), и под их действием на пластинке появилось изображение кончика иглы с куда лучшим разрешением, чем в случае электронов. Так был создан ионный полевой микроскоп. С его помощью Мюллер впервые разглядел небольшие молекулы, но ему этого было мало.

Позже Мюллер заменил водород на гелий и неон. Как образуются ионы в случае инертных газов? Мюллер полагал, что атомы инертных газов предварительно адсорбируются на поверхности иглы. Но впоследствии оказалось, что адсорбция здесь ни при чем и при высоком положительном потенциале иглы электрон с внешней электронной оболочки атома инертного газа туннелирует через вакуум к поверхности металлического образца.

Выяснилось это уже в США, куда Мюллер эмигрировал в 1952 году. В Пенсильванском университете Мюллер вместе со своими студентами и аспирантами занимался усовершенствованием нового микроскопа. Для получения качественных изображений они стали использовать сверхнизкие температуры, но чувствительности все равно не хватало. Оказалось, что корень проблем был в предварительной подготовке иглы. Традиционно все твердые поверхности перед проведением физических исследований очищают от адсорбированных примесей нагреванием в глубоком вакууме. Но при этом все острые выступы оплавляются, то же происходило и с кончиком иглы. Аспирант Мюллера Канвар Баадур предложил новый способ очистки иглы, и дело пошло на лад.

11 октября 1955 года Баадур поместил в установку вольфрамовую иглу и получил на флуоресцентном экране первое в истории изображение атома, находившегося на самом кончике иглы. Очевидцы потом вспоминали, что у присутствовавшего при эксперименте Мюллера от волнения из головы вылетели все английские слова и он начал кричать по-немецки: “Я вижу атом! Да, атом!” Его мечта сбылась.

Бывшие сотрудники Мюллера вспоминали, что все они с момента получения первого изображения атома жили в ожидании, когда же шефу присудят Нобелевскую премию по физике. Но этого так и не произошло. Отчасти это связано, на мой взгляд, с настороженным отношением научного сообщества к немецким ученым, работавшим в Германии во время Второй мировой войны, – а ну как они занимались военными разработками. Подозрения эти имели под собой основания, и кому как не ученым из стран-победительниц было это знать – они сами во время войны именно этим и занимались. Должно было пройти много времени, чтобы затянулись раны войны. Руске в этом смысле повезло больше: он дожил до своей Нобелевской премии. Мюллер не дожил. Он скончался в 1977 году.

Заметим также, что сообщение Мюллера о получении изображения атома было встречено научным сообществом с изрядным скепсисом. Нет, против самой “картинки” никто не протестовал, она была принята как экспериментальный факт. Возражали против ее интерпретации. Фотография представляла собой довольно сложный симметричный узор, в центре которого располагался небольшой круг. Мюллер увидел в нем атом, то, что давно мечтал увидеть. У коллег, не разделявших его маниакальной страсти, были на этот счет другие мнения.

Более того, сообщение Мюллера возродило в среде физиков-теоретиков давний спор о том, можно ли вообще увидеть атом. Ведь электроны в атоме подчиняются законам квантовой механики и определить их точное местоположение невозможно. Атом – это зыбкое нечто, не имеющее четких границ, необходимых для формирования любого изображения. Отсюда следовал куда более глобальный вывод, что и манипулировать атомами, как частицами твердого тела, тоже невозможно. В 1959 году по этому поводу высказался гуру теоретической физики Ричард Фейнман (1918–1988): “Законы физики, насколько я их понимаю, не запрещают манипулирование атомами”. Это было “ощущение”, не подкрепленное никакими математическими выкладками, на которые горазды квантовые механики. Но уже в то время физики поняли, что ощущениям этого неординарного ума можно доверять, так что споры постепенно ушли в песок, так ничем и не разрешившись. Дело было отдано на откуп экспериментаторам.

А те продолжали работать. Следующий важный прорыв связан с именем американского исследователя Рассела Янга. Его путь в науку был долог. Юность Янга пришлась на Вторую мировую войну. Три года он прослужил в войсках противовоздушной обороны и лишь в 1953 году смог окончить Политический институт Ренсселира. Диссертацию защитил в Пенсильванском университете в 1959 году. Возможно, вы уже догадались, кто был его научным руководителем, – Эрвин Мюллер, который вообще воспитал очень много высококлассных специалистов. В 1961 году Янг перешел на работу в Национальное бюро стандартов, которое в США не только плодит бумаги, но и разрабатывает новые методы анализа и соответствующее оборудование. Янгу выпало заниматься изучением характеристик поверхности различных материалов. В 1969 году он вместе со своими сотрудниками Джоном Уордом и Фредериком Скайром сконструировал прибор, названный ими топографинером.

Янг объединил в одном устройстве принципы и элементы, опробованные в других описанных выше электронных микроскопах: зонд, сканирование, игла, туннелирование электрона. Но если для Мюллера игла была объектом исследования, то Янг превратил ее в инструмент исследования, в зонд, который перемещался над поверхностью анализируемого образца. На иглу подавали отрицательный потенциал и измеряли силу электрического тока между поверхностью и иглой, обусловленного полевой эмиссией электронов с кончика иглы. В ходе экспериментов Янг также обнаружил, что при приближении иглы к поверхности все больший вклад в электрический ток вносит туннелирование электронов. Этот эффект имеет квантовую природу и выражается в “перескоке” электрона с кончика иглы-зонда на поверхность образца. Величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между иглой и поверхностью и при изменении расстояния всего лишь от полутора до одного нанометра увеличивается в тысячи раз.

Впрочем, Янг установил лишь предварительный вид этой зависимости, над ним довлела другая проблема – как обеспечить точное позиционирование кончика иглы над поверхностью образца. Для этого он использовал пьезоэлементы, сделанные на основе кристаллов, способных изменять свои линейные размеры под действием электрического напряжения. Три таких пьезоэлемента обеспечивали перемещение иглы в трех направлениях с точностью до одной сотой нанометра – уму непостижимо!

Кроме того, Янг предложил оригинальную технику сканирования. Казалось бы, чего тут выдумывать, закрепи образец строго горизонтально и проведи над ним иглу. Но на любой поверхности неизбежно присутствуют выступы, о которые игла может сломаться, и ямки. Так как сила тока резко зависит от расстояния, то глубокие и мелкие ямки будут малоразличимы. Янг проводил иглу над поверхностью таким образом, чтобы сила электрического тока оставалась постоянной. Это обеспечивалось разработанной им системой обратной связи, которая непрерывно перемещала иглу в вертикальном направлении над поверхностью образца, поднимая ее над выступами и опуская над ямками. Траектория движения кончика иглы в точности повторяла профиль поверхности.

Дополнительные технические сложности привнесло использование сверхнизких температур и высокого вакуума. На решение всех проблем ушло два года, в 1971 году Янг представил работающий образец топографинера, который обеспечивал определение шероховатости поверхности с разрешением по вертикали в три нанометра. Этого было явно недостаточно, чтобы разглядеть атомы на поверхности, но Янг на это и не замахивался. Он планировал продолжить работы по совершенствованию прибора, но у его начальства на этот счет было другое мнение. Работы по топографинеру были свернуты, а Янга перебросили на создание калибровочных стандартов для микроэлектронной промышленности.

Проблема анализа поверхности между тем становилась все более насущной. Особенно остро она стояла в компании IBM, производившей разнообразные микроэлектронные устройства. В Базеле, в Швейцарии, у IBM было специальное исследовательское подразделение, которое занималось, в частности, разработкой методов анализа полупроводниковых материалов. Руководил этими работами Генрих Рорер. В 1978 году он пригласил на работу молодого немецкого физика Герда Биннига, которому было суждено вписать одну из ярчайших страниц в развитие мировой науки.

Впрочем, этого ничто поначалу не предвещало. Родился Бинниг в 1947 году во Франкфурте-на-Майне, физикой увлекся в десятилетнем возрасте, но потом еще сильнее увлекся музыкой, футболом, плаванием. Физический факультет Франкфуртского университета он окончил без отрыва от выступлений со своей рок-группой. Эта веселая жизнь продолжилась и в аспирантуре, не образумила Биннига и ранняя женитьба. Занимался он в аспирантуре туннельной спектроскопией полупроводников, эта работа все больше приводила его к мысли, что он сильно ошибся с выбором профессии. Схоластика, рутина, никакого творчества!

Взялся за ум Бинниг, по его собственному выражению, под влиянием личного психоаналитика – жены Лоры. В 1978 году он таки защитил диссертацию и принял предложение Рорера поступить на работу в швейцарское отделение IBM. Биннигу было поручено придумать что-нибудь, что позволяло бы обнаруживать дефекты в сверхтонких пленках, нанесенных на поверхность металла или полупроводника. “Придумать” – это слово было для Биннига самым важным, он понял, что попал в нужное место. Он предложил использовать хорошо знакомый ему туннельный эффект и после детального изучения научной литературы принялся измерять величину туннельного тока в зависимости от удаления кончика иглы от поверхности. Многие сотрудники отделения сочли эту идею бредовой, некоторые прямо говорили Рореру, что он сделал ставку не на того человека, но Рорер идею поддержал и даже выделил Биннигу на подмогу молодого талантливого инженера Кристофа Гербера.

Можно сказать, что они повторили работу Рассела Янга, но на более высоком научном и техническом уровне. Они взяли у него идею иглы-зонда, пьезоэлектрическую систему позиционирования и систему обратной связи. Но Бинниг сделал ставку на туннельный эффект, он приблизил иглу к поверхности на расстояние менее одного нанометра, что сразу привело к увеличению разрешения. Впрочем, не сразу, для этого исследователям пришлось решить ряд сложнейших технических проблем, до которых у Янга просто не дошли руки. Да и техника за десятилетие далеко продвинулась вперед.

Одна из проблем заключалась в изоляции от акустических и механических вибраций. В первой модели сканирующего туннельного микроскопа (так был назван новый прибор) для этого использовали новейшую разработку того времени – сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла.

Большим подспорьем оказался прогресс в области ЭВМ, но тут, как говорится, все козыри были на руках у IBM. Как и в создании быстродействующей малошумящей электроники. Задача разглядеть структуру непременно с атомарным разрешением не ставилась, это стало для исследователей неожиданным и потому вдвойне приятным бонусом. Они и сами поначалу не поняли, что это за бугорки торчат ровными рядами на поверхности золотой фольги, которую они поместили в свой прибор в один из дней 1981 года. По всему выходило, что это атомы, но исследователи не верили собственным глазам. Фотографию эту Бинниг с Рорером опубликовали только через два года. Более убедительным им показалось следующее полученное ими изображение – поверхности монокристалла кремния с четко видными шариками атомов. Но это нам сейчас четко видно, а в 1982 году ученые высказали привычный уже скепсис.

Сам же новый прибор для изучения поверхности вызвал большой интерес. Немало способствовали этому изобретатели, которые рекламировали его где только можно и с готовностью принимали посетителей в своей лаборатории в Цюрихе. Что ни говори, а IBM в плане пиара даст сто очков вперед Национальному бюро стандартов США.

Но среди всей этой суеты Бинниг, по его собственному признанию, загрустил. Приложив невероятные усилия, он создал выдающийся прибор, ничего подобного ему в будущей жизни, скорее всего, создать не удастся. По сравнению со сканирующим туннельным микроскопом все это будет рутиной. К счастью, он ошибся. Для смены обстановки Бинниг перебрался в Калифорнию, в головную исследовательскую лабораторию IBM, и там его посетила новая идея.

Бинниг, как никто другой, знал главный недостаток сканирующего туннельного микроскопа: его применение ограничено электропроводящими образцами или веществами, нанесенными на поверхность проводника. Вот если бы обойтись без измерения силы электрического тока… Бинниг стал анализировать различные типы взаимодействия между кончиком иглы и поверхностью образца и пришел к выводу, что для его целей лучше всего подходят пусть слабые, но зато универсальные ван-дер-ваальсовы взаимодействия между атомами. Вот только как измерить силу этого взаимодействия между атомом, находящимся на самом кончике иглы зонда, и ближайшим атомом поверхности образца?

Идея выглядит еще более сумасшедшей, если знать, во что она в конце концов воплотилась. В созданном Биннигом атомно-силовом микроскопе в качестве зонда используют не просто тончайшую иглу, а балку (консоль) из монокристалла кремния с размерами порядка долей миллиметра, называемую кантилевером, на которой укреплена собственно игла. А измеряют степень изгиба этой балки под действием сил притяжения или отталкивания между двумя атомами. Это все равно, что измерять изгиб торчащего из бетонной стены стального швеллера, на конец которого опустилась пылинка. Невозможно, скажете вы. Соглашусь. Но Бинниг это сделал, экспериментальный факт.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп – поистине универсальный прибор. С его помощью можно изучать объекты любой физической и химической природы. Кроме того, измерения можно проводить не только в вакууме, но и других средах, вплоть до водных растворов (при этом, естественно, изучают молекулы, адсорбированные на твердой поверхности). Все это особенно важно для исследования биологических объектов – белков, нуклеиновых кислот, клеток, вирусов, бактерий и т. д.

Разработал его Бинниг в 1986 году. В том же году пришла награда – за сканирующий туннельный микроскоп Бинниг получил Нобелевскую премию по физике. Вместе с Рорером и Руской. С последним Биннига с Рорером объединяло только слово “микроскоп”, но Нобелевский комитет пошел на это, чтобы воздать должное патриарху. Лауреатов может быть максимум три, так что Кристоф Гербер остался за чертой призеров. Он получил в виде компенсации множество других премий, но кто о них знает, кроме узких специалистов? Нобелевский комитет отметил также специальным коммюнике вклад Рассела Янга в создание сканирующего туннельного микроскопа. Кто сейчас помнит о Расселе Янге? Его фамилия, как и фамилия Гербер, все реже упоминается в историях создания зондовых микроскопов. Все придумал Бинниг, а Рорер был его начальником. Тут действует общее правило: победитель получает все.Победителем был Бинниг. Но он не стал почивать на лаврах и увлекся новой идеей – как на учить компьютер мыслить так же, как он, креативно и дедуктивно. В 1994 году Бинниг основал компанию “Definiens”, которая занимается, в частности, разработкой программного обеспечения для распознавания образов. Пожелаем ему удачи.Зондовые микроскопы – конечно, выдающееся творение ума человеческого, я не побоюсь поставить их в один ряд с орбитальной космической станцией, телескопом “Хаббл” и компьютером. Они чрезвычайно расширили наши возможности в познании тайн вещества и живой материи.

Только не следует думать, что до их изобретения ученые блуждали в потемках, как это зачастую представляют. У ученых было достаточно других методов исследования структуры вещества плюс развитое пространственное воображение, так что большинство из них хорошо представляли себе, как выглядят изучаемые ими объекты. Глядя на современные фотографии сверхвысокого разрешения, они зачастую лишь удовлетворенно кивают головой: да, все верно, именно так мы себе это и представляли. Более того, такие фотографии далеко не всегда принимаются в качестве убедительного доказательства в научном споре, если они противоречат другим данным.

Как же так, скажете вы, как же можно спорить с очевидностью в прямом смысле этого слова? Но разве после прочтения этой книги вы не поняли, что ученых хлебом не корми – дай опровергнуть очевидное, именно так открытия и делаются. А если без шуток, то основания для сомнений действительно есть почти всегда. Объекты фотографируют в условиях, далеких от условий их существования в реальной среде, при подготовке образцов к съемке их подвергают различным воздействиям, которые могут повлиять на их структуру. В результате фотография соотносится с оригиналом в лучшем случае как тело в гробу с живым человеком, которого мы хорошо знали при жизни.Кроме того, исследования обычно ограничиваются единичным объектом или микроскопическим участком. Насколько эти данные показательны? Представьте себе, что вы выхватили наугад человека из толпы в произвольной части земного шара и из его внешности и характера делаете вывод о всем человечестве в целом. Конечно, по правилам нужно, как говорят, набрать статистику, изучить репрезентативную группу и усреднить параметры, но это требует времени и денег, которых, как водится, всегда не хватает. Поэтому изучают единичный объект, а из нескольких полученных фотографий выбирают ту, которая в наилучшей степени иллюстрирует тезис, который хочет доказать исследователь.Необходимо также помнить, что в добрый старый оптический микроскоп мы объект действительно видим, тогда как картинка, получаемая с помощью современных зондовых микроскопов, представляет собой, по сути, компьютерную реконструкцию, результат математической обработки регистрируемых устройством сигналов. В существе используемых при этом программ не разбирается даже большинство специалистов, работающих на этих микроскопах, что уж говорить о пользователях. Вот почему так ценятся классные специалисты, которые могут разъяснить, что в полученной картинке соответствует, скорее всего, действительности, чему не следует придавать большого значения и на что вовсе не стоит обращать внимания как на ложный, приборный, компьютерный артефакт, который они зачастую тут же и “стирают”, используя все те же компьютерные программы.

Что из этого следует? Только то, что ученым есть еще над чем работать в плане совершенствования техники исследований. Чем они и занимаются, упорно и последовательно. И все это нисколько не затмевает того факта, что создание зондовых микроскопов с атомарным разрешением привело к феноменальному прогрессу науки и техники и выходу их на новый уровень, который мы сейчас обобщенно называем нанотехнологиями. Структура многих объектов была впервые изучена именно с помощью зондовых микроскопов, потому что другие методы были бессильны. А это, в свою очередь, создало основу для целенаправленного конструирования новых объектов, материалов, устройств, обладающих разными полезными для нас с вами свойствами.

Все описанные в этой главе устройства были предназначены и используются для исследования строения различных материалов и объектов. Никто не предполагал, что когда-нибудь они станут инструментами созидания – создания новых структур, материалов, объектов, тем более путем физического манипулирования атомами и молекулами. Открыли это случайно. Сделал это Дональд Эйглер, последний герой нашей истории.

Они были чем-то похожи – Дон Эйглер и Герд Бинниг времен начала своей блистательной научной карьеры. В середине 1980-х годов Эйглеру было уже за тридцать и он тянул лямку в исследовательской лаборатории IBM в Калифорнии, занимаясь на досуге дрессировкой служебных собак, в чем он впоследствии достиг истинного профессионализма и прославился на всю Америку. К тому времени Бинниг уже изобрел сканирующий туннельный микроскоп, а потом и сам объявился в Калифорнии, что, естественно, интенсифицировало исследования по применению нового метода.

Сканирующий туннельный микроскоп был предназначен для исследования поверхности металлов и других проводников, а любая поверхность, как мы помним, обладает свойством адсорбировать разные вещества из окружающей среды. Свойством зачастую неприятным, особенно с точки зрения микроэлектронщиков, которые жаждали узнать, как ведут себя адсорбированные молекулы и нельзя ли как-нибудь если не побороть, то хотя бы уменьшить это зло. С другой стороны, адсорбированные молекулы могли оказаться и полезными. С третьей – почему бы не замахнуться на получение фотографии единичной молекулы с атомарным разрешением. Еще недавно это казалось фантастикой, но если посадить молекулу на поверхность металла, то почему нет? Так что применение сканирующего электронного микроскопа для изучения адсорбированных молекул было вполне естественным шагом, тут не было места случайности.

Эйглер занимался изучением взаимодействия атомов инертного газа ксенона с поверхностью металлов. Дело было гиблым. Это Мюллеру и Биннигу было хорошо, они получали изображение атомов, входящих в состав кристаллической решетки образца и потому неподвижных, а адсорбированные атомы ксенона смещались при малейшем толчке, при нечувствительной вибрации, и вообще атомы склонны ползать по поверхности вследствие теплового движения.

Да и сами сканирующие туннельные микроскопы были, конечно, высшим на тот момент достижением технической мысли, но, с другой стороны, техникой “сырой” и далекой от совершенства. Вот ее совершенствованием применительно к своей задаче и занялся Эйглер, особенно напирая на виброизоляцию и термостатирование.

На доводку прибора ушло три года напряженного труда. Каково же было разочарование Эйглера, когда даже на созданном им “идеальном” приборе он не смог получить стабильной картинки, одно изображение переходило в другое. И дело тут было не в самопроизвольном перемещении атомов – дрожала проклятая иголка! Но в одну прекрасную ночь, когда вокруг не было топающих и разговаривающих коллег, а по улицам не ездили автомобили, Эйглер вдруг заметил, что перемещение атомов на картинке совпадает с направлением отклонения иглы. После этого озарения потребовались считаные часы, чтобы выяснить, как можно управлять перемещением атомов, варьируя удаление кончика иглы от поверхности, подаваемое напряжение и величину туннельного тока.

Оказалось, что лучшее изображение атома ксенона получается, если иголка находится на расстоянии чуть большем 0,2 нм от атома, что приблизительно соответствует размеру самого атома. Если же это расстояние становится меньшим, то игла вступает во взаимодействие с атомом, одновременно ослабляя его взаимодействие с поверхностью. “Зацепив” таким образом атом и поддерживая постоянным оптимальный промежуток, атом можно перетащить на некоторое расстояние и поставить в определенное место.

Эйглер завершил свои ночные штудии созданием композиции из 35 атомов ксенона на поверхности кристалла никеля, восславив в ней название фирмы, которая три года терпеливо ждала результатов его изысканий, – IBM.

Эта фотография была опубликована в 1989 году, но вплоть до середины 1990-х годов никто не мог воспроизвести результаты Эйглера по той простой причине, что ни в одной лаборатории мира не было столь совершенного прибора. Лишь с развитием техники сканирующих зондовых микроскопов исследования в этой области посыпались как из рога изобилия. Исследователи научились манипулировать не только отдельными атомами, но и молекулами, что в большинстве случаев даже сложнее из-за их более прочного связывания с поверхностью.

Открытие этих неожиданных свойств зондовых микроскопов настолько поразило современников, что стало символом наступающей эпохи нанотехнологий и надолго затмило все остальные достижения физики, химии и молекулярной биологии в этой области. Эйглер подарил нам атомный конструктор и продемонстрировал возможность сборки из атомов различных структур. Это отвечало самым смелым мечтам ученых и, в еще большей степени, людей, от науки далеких. Ведь, в конце концов, Природа собрала весь этот мир из атомов, родившихся в результате Большого взрыва. Вот и мы – не хуже! Мы тоже будем собирать из атомов все, что нам нужно.

Интересно, что сам Дон Эйглер высказывается о перспективах атомного конструктора очень осторожно: может быть, когда-нибудь, для некоторых специальных задач. Одной из таких задач он занимается сейчас в IBM. Речь идет о поиске новых способов выполнения вычислительных операций, связанных, в частности, с использованием свойств единичных атомов и молекул их взаимодействий. Будем надеяться, что когда-нибудь это приведет к созданию нового поколения компьютеров.В чем Эйглер не сомневается, так это в огромном потенциале нанотехнологий, понимаемых в самом широком смысле, в том, что уже в обозримом будущем они изменят нашу жизнь, и изменят к лучшему. Согласимся с ним, но с маленькой оговоркой: уже меняют.