Космос на голці

У відповідь на виклик дифракційної межі, що не дозволяє за допомогою стандартних оптичних мікроскопів роздивлятися об’єкти розміром менш довжини світлової хвилі, наукою створено вже чимало приладів, що дають можливість цю межу обійти. Мікроскопи нинішнього покоління дозволяють не тільки роздивлятися структури молекул, а й дослідити шляхи маніпулювання об’єктами субнаноміру.

Кажуть, «гроші люблять тишу», і, напевно, Швейцарія — одна з найкращих ілюстрацій до цієї тези. Тиша, розміреність і багатство панують на берегах Цюрихського озера, де в оточенні живописних гір живе в основному досить заможна частина людства. Цікаво, однак, що такий же антураж чудово (судячи з результатів) підходить і великій науці. Тут же, в Цюріху, в районі Рюшлікон ще з середини 50-х років минулого століття розташувалася одна з одинадцяти на сьогоднішній день лабораторій корпорації IBM.

Незважаючи на те що назва корпорації стійко асоціюється у більшості з комп’ютерами, багатонаціональний науковий колектив Zürich IBM Research веде дослідження в різних областях, в тому числі мають відношення до фундаментальних основ буття.

Комплекс пофарбованих у білий колір малоповерхових будівель, витончений, але невибагливий дизайн внутрішніх приміщень, підвальні поверхи для лабораторій, де обладнання любить тишу ще більше, ніж гроші в швейцарських банках. Лабораторії, до речі, не справляють враження дуже просторих — вільного місця для прогулянок замало. Спочатку насилу віриться, що саме в таких умовах вершиться велика наука.

На схемі показано пристрій одного з типів атомного силового мікроскопа для дослідження живих тканин

Не більше кулака

Ось і лабораторія, де займаються низькотемпáною мікроскопією із застосуванням скануючого тунельного (STM) і атомного силового (AFM) мікроскопів, зовсім крихітна. Адже саме тут, у цих стінах вперше вдалося отримати чітке зображення хімічної структури молекули. Про це було оголошено восени 2009 року, і тоді ж публіці пред’явили чітку картинку молекули пентацену — органічного з’єднання, в молекулярній структурі якого присутні п’ять шестикутних бензольних кілець, що, звичайно ж, виглядало дуже видовищно.

Власне, атоми можна було розгледіти за допомогою потужних електронних мікроскопів і раніше, проблема завжди була в тому, що ніяк не вдавалося зафіксувати міжатомні зв’язки — занадто вони слабкі. З використанням AFM завдання виявилося вирішеним.

Лабораторія обладнана під землею — тут майже не відчуваються вібрації ґрунту і будівлі. Те, що нам показують в якості мікроскопа, являє собою збірку з однієї сферичної і двох циліндричних камер — всі разом висотою метра півтора. «Насправді сам мікроскоп зовсім не такий великий, — пояснюють нам співробітники лабораторії. — Він розміром приблизно з людський кулак». Вся інша конструкція служить для виконання трьох завдань. По-перше, поверхні, на яких досліджуються зразки, вимагають надчистоти, і ця чистота повинна підтримуватися протягом тривалих експериментів. Для цього за допомогою насоса в камері, куди поміщають мікроскоп, створюється високий вакуум.

По-друге, молекулам, які є об’єктами дослідження, при кімнатній температурі властиві швидкі коливання, і, щоб «втихомирити» препарат, доводиться охолоджувати камеру майже до абсолютного нуля (5K, мінус 268 ° С). Для цього використовується рідкий гелій, що міститься в хромованому циліндрі. По-третє, оскільки деякі паразитні вібрації в приміщенні лабораторії все одно присутні, існує система спеціальної підвіски мікроскопа всередині камери, яка ці вібрації гасить.

Щупаємо чадним газом

Два різновиди скануючого зондового мікроскопа — STM і AFM — були створені в стінах цюріхської лабораторії IBM, а основоположниками цих розробок стали німець Герд Карл Бінніг і швейцарець Генріх Рорер, удостоєні в 1986 році Нобелівської премії. Якщо оптичний мікроскоп працює з відображеним від об’єкта світлом, а електронний «підсвічує» його потоком електронів, то у випадку зі скануючими зондовими мікроскопами відбувається щось зовсім інше. Зонд AFM, що являє собою рухомий важіль (кантилевер) з голкою (мікроскопічним конусом, гострою частиною зверненим до об’єкта дослідження), як би відчуповує структуру атомів і молекул, подібно до того, як незрячий читає випуклості шрифту Брайля.

Голка, випробовуючи на собі за рахунок надмалої відстані сили взаємодії з атомами, зчитує рельєф поверхні, що призводить до коливань кантилевера. Вони, у свою чергу, фіксуються, наприклад, лазерним датчиком, дані якого переводяться в зображення.

Для точного позиціонування зразка, що має нанорозміри, в британській установці використовується камера надвисокого вакууму і чотири тунельні мікроскопи. Машина призначена для розробки, складання, тестування та ремонту наномеханічних конструкцій, тобто має скоріше не наукове, а науково-прикладне значення

Якщо мова йде про скануючий тунельний мікроскопі, то на голку зонда подається напруга, і рельєф поверхні зчитується за рахунок зміни параметрів струму, який протікає між голкою і досліджуваним препаратом в результаті ефекту квантового тунелювання. Величина струму, зокрема, залежить від щільності в тій точці досліджуваного зразка, на яку наведена голка зонда.

При цьому весь процес зовсім не блискавичний — сканування об’єкта може займати до 20 годин. Крім того, технологія вимагає прецизійної системи розгортки і, що важливо, наближення гостра голки зонда до розміру досліджуваного об’єкта. В ідеалі це вістря має складатися з однієї молекули, і в лабораторії IBM саме цього і вдалося досягти.

Якщо на поверхні з’являється випуклість, відстань до голки зменшується, струм росте, і щоб привести його до заданого рівня і зберегти задану відстань, голка зміщується вгору. Ці хвилеподібні рухи складаються потім в 3D-картину рельєфу

А починалося так: спроби відсканувати за допомогою AFM вже згадану молекулу пентацена закінчувалися тим, що виникаючі між голкою і зразком електростатична сила і сила Ван-дер-Ваальса руйнували молекулу. Тоді вдалося підчепити голкою одну молекулу моноксиду вуглецю (CO), відомого в побуті як «чадний газ», яка і стала справжнім «вістрям». За рахунок властивостей обох молекул дія сил, що заважали скануванню, компенсувалася.

Таким чином, молекула пентацена була відсканована з дуже високою роздільною здатністю. Тут, однак, криється і якась обмеженість даного методу — адже трюк з молекулою чадного газу не спрацює, якщо молекула препарату буде мати інший склад, тобто всякий раз доведеться шукати своє рішення.

Прощання з кремнієм

Але все це вже день вчорашній. Вже минулого року вчені IBM досліджували за допомогою AFM молекулу нанографена і отримали не просто малюнок структури, а й чітку картину і порядок атомних зв’язків всередині молекули. З’ясувалося, що ці зв’язки не тільки розрізняються за силою, а й мають різну довжину. Досліджень на AFM також зазнала молекула баксмінстерфуллерена — аллотропного 60-атомного з’єднання вуглецю, що має форму м’яча і нагадує за структурою геодезичні кулі і купола, придумані американським архітектором Бакмінстером Фуллером. У всіх цих дослідженнях також застосовувалася голка зонда з молекулою моноксиду вуглецю в якості гостру.

Зрозуміло, досліди з зондовими мікроскопами, коли скоро вони проводяться в стінах лабораторій IBM, все-таки мають певне відношення до перспектив комп’ютерної індустрії. Справа в тому, що нові матеріали на основі вуглецю, зокрема графен, розглядаються в якості прийдешньої заміни кремнію для майбутніх електронних чіпів.

У цьому відношенні особливу важливість представляє розробка методів маніпулювання подібними матеріалами фактично на атомному рівні. До речі, в 2012 році IBM оголосила про створення магнітної пам’яті, один біт якої матиме матеріальну основу у вигляді всього 12 атомів. Правда, така збірка носить сьогодні чисто експериментальний характер і спрацьована при наднизьких температурах за допомогою зондового мікроскопа.

Тому складно очікувати, що 12-атомна пам’ять може з’явитися в прикладних пристроях в осяжному майбутньому. А чи можливо зберігати інформацію за допомогою всього одного атома? Теоретично така можливість існує.

Кероване золото

Тунельний скануючий мікроскоп не дозволяє отримувати такі надчіткі скани молекул, як AFM, проте його плюс в можливості активного впливу на молекулу-препарат. У лабораторії IBM в Цюріху нам показують результати експерименту з маніпулювання одним атомом. Адсорбовані атоми золота (тобто атоми, поміщені на кристалічну поверхню, в яку вони не можуть дифундирувати) розташовуються на найтоншій плівці з хлориду натрію (кухарна сіль), яка, в свою чергу, вистилає собою підкладку з міді. Всі атоми на знімку виглядають як світлі кружечки на сірому тлі.

Тепер до одного атома підводиться голка зонда і подається напруга. Атоми знову скануються, і на отриманій картинці добре видно, що той з них, який зазнав маніпуляції, знайшов добре помітний темний ореол. Що ж сталося?

Нейтральний раніше атом отримав від мікроскопа доданий електрон, а разом з ним негативний заряд. «У такому стані, — пояснює нам співробітник лабораторії IBM, — атом в принципі може перебувати невизначено довгий час. Зате ніщо не заважає за допомогою того ж мікроскопа повернути його в нейтральний стан «. А якщо ми можемо керувати двома станами якогось об’єкта, змінюючи в будь-який момент і по своїй волі один стан на інший, то що це, як не готова логічна комірка ємністю в один біт?