Космос на игле

Олег Макаров
«Популярная механика» №1, 2013

В ответ на вызов дифракционного предела, не позволяющего с помощью стандартных оптических микроскопов разглядывать объекты размером менее длины световой волны, наукой создано уже немало приборов, дающих возможность этот предел обойти. Микроскопы нынешнего поколения позволяют не только разглядывать структуры молекул, но и исследовать пути манипулирования объектами субнаномира.

Говорят, «деньги любят тишину», и, наверное, Швейцария — одна из наилучших иллюстраций к этому тезису. Тишина, размеренность и богатство царят на берегах Цюрихского озера, где в окружении живописных гор живет в основном весьма состоятельная часть человечества. Интересно, однако, что такой же антураж прекрасно (судя по результатам) подходит и большой науке. Здесь же, в Цюрихе, в районе Рюшликон еще с середины 50-х годов прошлого века расположилась одна из одиннадцати на сегодняшний день лабораторий корпорации IBM.

Несмотря на то что название корпорации стойко ассоциируется у большинства с компьютерами, многонациональный научный коллектив Zürich IBM Research ведет исследования в самых разных областях, в том числе имеющих отношение к фундаментальным основам бытия.

Комплекс выкрашенных в белый цвет малоэтажных зданий, изящный, но непритязательный дизайн внутренних помещений, подвальные этажи для лабораторий, где оборудование любит тишину еще больше, чем деньги в швейцарских банках. Лаборатории, кстати, не производят впечатление очень просторных — свободного места для прогулок маловато. Поначалу с трудом верится, что именно в таких условиях вершится большая наука.

На схеме показано устройство одного из типов атомного силового микроскопа для исследования живых тканей

Не больше кулака

Вот и лаборатория, где занимаются низкотемпературной микроскопией с применением сканирующего туннельного (STM) и атомного силового (AFM) микроскопов, совсем крошечная. А ведь именно здесь, в этих стенах впервые удалось получить четкое изображение химической структуры молекулы. Об этом было объявлено осенью 2009 года, и тогда же публике предъявили четкую картинку молекулы пентацена — органического соединения, в молекулярной структуре которого присутствует пять шестиугольных бензольных колец, что, конечно же, выглядело очень зрелищно.

Собственно, атомы можно было разглядеть с помощью мощных электронных микроскопов и раньше, проблема всегда была в том, что никак не удавалось зафиксировать межатомные связи — слишком они слабы. С использованием AFM задача оказалась решенной.

Лаборатория оборудована под землей — здесь почти не ощущаются вибрации грунта и здания. То, что нам показывают в качестве микроскопа, являет собой сборку из одной сферической и двух цилиндрических камер — все вместе высотой метра полтора. «На самом деле сам микроскоп совсем не такой большой, — объясняют нам сотрудники лаборатории. — Он размером приблизительно с человеческий кулак». Вся остальная конструкция служит для выполнения трех задач. Во-первых, поверхности, на которых исследуются образцы, требуют сверхчистоты, и эта чистота должна поддерживаться на протяжении длительных экспериментов. Для этого с помощью насоса в камере, куда помещают микроскоп, создается высокий вакуум.

Во-вторых, молекулам, которые являются объектами исследования, при комнатной температуре свойственны быстрые колебания, и, чтобы «утихомирить» препарат, приходится охлаждать камеру почти до абсолютного нуля (5К, минус 268°С). Для этого используется жидкий гелий, содержащийся в хромированном цилиндре. В-третьих, поскольку некоторые паразитные вибрации в помещении лаборатории все равно присутствуют, существует система специальной подвески микроскопа внутри камеры, которая эти вибрации гасит.

Щупаем угарным газом

Две разновидности сканирующего зондового микроскопа — STM и AFM — были созданы в стенах цюрихской лаборатории IBM, а основоположниками этих разработок стали немец Герд Карл Бинниг и швейцарец Генрих Рорер, удостоенные в 1986 году Нобелевской премии. Если оптический микроскоп работает с отраженным от объекта светом, а электронный «подсвечивает» его потоком электронов, то в случае со сканирующими зондовыми микроскопами происходит нечто совсем иное. Зонд AFM, представляющий собой подвижный рычаг (кантилевер) с иглой (микроскопическим конусом, острой частью обращенным к объекту исследования), как бы ощупывает структуру атомов и молекул, подобно тому, как незрячий читает выпуклости шрифта Брайля.

Игла, испытывая на себе за счет сверхмалого расстояния силы взаимодействия с атомами, считывает рельеф поверхности, что приводит к колебаниям кантилевера. Они, в свою очередь, фиксируются, например, лазерным датчиком, данные которого переводятся в изображение.

Для точного позиционирования образца, имеющего наноразмеры, в британской установке используется камера сверхвысокого вакуума и четыре туннельных микроскопа. Машина предназначена для разработки, сборки, тестирования и ремонта наномеханических конструкций, то есть имеет скорее не научное, а научно-прикладное значение

Если речь идет о сканирующем туннельном микроскопе, то на иглу зонда подается напряжение, и рельеф поверхности считывается за счет изменения параметров тока, который протекает между иглой и исследуемым препаратом в результате эффекта квантового туннелирования. Величина тока, в частности, зависит от плотности в той точке исследуемого образца, на которую наведена игла зонда.

При этом весь процесс вовсе не молниеносный — сканирование объекта может занимать до 20 часов. Кроме того, технология требует прецизионной системы развертки и, что немаловажно, приближения острия иглы зонда к размеру исследуемого объекта. В идеале это острие должно состоять из одной молекулы, и в лаборатории IBM именно этого и удалось добиться.

Если на поверхности появляется выпуклость, расстояние до иглы уменьшается, ток растет, и чтобы привести его к заданному уровню и сохранить заданное расстояние, игла смещается вверх. Эти волнообразные движения складываются потом в 3D-картину рельефа

А начиналось так: попытки отсканировать с помощью AFM уже упомянутую молекулу пентацена заканчивались тем, что возникающие между иглой и образцом электростатическая сила и сила Ван-дер-Ваальса разрушали молекулу. Тогда удалось подцепить иглой одну молекулу моноксида углерода (CO), известного в быту как «угарный газ», которая и стала настоящим «острием». За счет свойств обеих молекул действие мешавших сканированию сил компенсировалось.

Таким образом, молекула пентацена была отсканирована с очень высоким разрешением. Здесь, однако, кроется и некая ограниченность данного метода — ведь трюк с молекулой угарного газа не сработает, если молекула препарата будет иметь другой состав, то есть всякий раз придется искать свое решение.

Прощание с кремнием

Но все это уже день вчерашний. Уже в прошлом году ученые IBM исследовали с помощью AFM молекулу нанографена и получили не просто рисунок структуры, но и четкую картину и порядок атомных связей внутри молекулы. Выяснилось, что эти связи не только различаются по силе, но и имеют разную длину. Исследованиям на AFM также подверглась молекула баксминстерфуллерена — аллотропного 60-атомного соединения углерода, имеющего форму мяча и напоминающего по структуре геодезические шары и купола, придуманные американским архитектором Бакминстером Фуллером. Во всех этих исследованиях также применялась игла зонда с молекулой моноксида углерода в качестве острия.

Разумеется, опыты с зондовыми микроскопами, коль скоро они проводятся в стенах лабораторий IBM, все-таки имеют определенное отношение к перспективам компьютерной индустрии. Дело в том, что новые материалы на основе углерода, в частности графен, рассматриваются в качестве грядущей замены кремния для будущих электронных чипов.

В этом отношении особую важность представляет разработка методов манипулирования подобными материалами фактически на атомном уровне. Кстати, в 2012  году IBM объявила о создании магнитной памяти, один бит которой будет иметь материальную основу в виде всего 12 атомов. Правда, такая сборка носит сегодня чисто экспериментальный характер и сработана при сверхнизких температурах с помощью зондового микроскопа.

Поэтому сложно ожидать, что 12-атомная память может появиться в прикладных устройствах в обозримом будущем. А возможно ли хранить информацию с помощью всего одного атома? Теоретически такая возможность существует.

Управляемое золото

Туннельный сканирующий микроскоп не позволяет получать такие сверхчеткие сканы молекул, как AFM, однако его плюс в возможности активного воздействия на молекулу-препарат. В лаборатории IBM в Цюрихе нам показывают результаты эксперимента по манипулированию одним атомом. Адсорбированные атомы золота (то есть атомы, помещенные на кристаллическую поверхность, в которую они не могут диффундировать) располагаются на тончайшей пленке из хлорида натрия (поваренная соль), которая, в свою очередь, выстилает собой подкладку из меди. Все атомы на снимке выглядят как светлые кружочки на сером фоне.

Теперь к одному атому подводится игла зонда и подается напряжение. Атомы снова сканируются, и на полученной картинке хорошо видно, что тот из них, который подвергся манипуляции, обрел хорошо заметный темный ореол. Что же случилось?

Нейтральный прежде атом получил от микроскопа добавочный электрон, а вместе с ним отрицательный заряд. «В таком состоянии, — объясняет нам сотрудник лаборатории IBM, — атом в принципе может находиться неопределенно долгое время. Зато ничто не мешает с помощью того же микроскопа вернуть его в нейтральное состояние». А если мы можем управлять двумя состояниями некоего объекта, меняя в любой момент и по своей воле одно состояние на другое, то что это, как не готовая логическая ячейка емкостью в один бит?