Кристиан Жоаким - Нанонауки. Невидимая революция

И вот однажды ночью (когда вибрации здания минимальны — и сотрудники ушли домой, и машины за окном уже не ездят) он увидел изображения — сначала одних атомов, а потом и других и на одном и том же участке металлической поверхности. И хоть иголка микроскопа все равно болталась, всякий раз магнитоскоп после очередного колебания иглы регистрировал новый образ. Затем Эйглер, изучая зарегистрированные изображения, придал потоку изображений большую скорость (это примерно так, как если смотреть кино на повышенной скорости смены кадров) и заметил, что одно изображение атомов «перетекает» в другое и что направление перетекания совпадает с направлением отклонения иглы. Он повторил опыт и увидел, что в зависимости от напряжения, приложенного к игле, и тока, через нее протекающего, изображение получается или тривиальным, не обнаруживающим ничего особенного, или измененным — с шевелящимися атомами. Итак, налицо доказательства того, что не бессонная ночь повинна в смещении атомов. Их движение — не игра случая, но результат усилий экспериментатора. Получается, что атомами можно манипулировать — вопреки всякому ожиданию и наперекор всем квантовым предписаниям. Чтобы доказать свою правоту, Дон Эйглер написал слово « IBM », выложив буквы 35 атомами ксенона. Эта картинка облетела весь мир и ознаменовала рождение нанотехнологии: человек заставил атомы «ходить строем».

Что же случилось под иглой? Уподобим атом ксенона футбольному мячу на поле стадиона. На траве, которая растет на этом поле, мяч неподвижен — его не пускает трава. А когда футболист ставит ногу на мяч, он давит — слегка — на мяч, то есть мяч теперь не пускает бутсу футболиста. Но если футболист уберет ногу, мяч совершит несколько оборотов вокруг своей оси — ногу футболист убрал, но давление внутри мяча осталось. На этом основан прием, который называется «крученый мяч». Если же футболист не уберет ногу, а надавит ею на мяч чуть сильнее, мяч выскользнет из-под ноги и покатится. Вот примерно то же случилось и с атомом ксенона под иглой туннельного микроскопа. Чтобы получить хорошее изображение атома ксенона, не смещая его, иголку надо подвести на расстояние, большее 0,2 нм (нога футболиста над мячом). Если же промежуток между кончиком иглы и атомом меньше 0,2 нм, игла вступает во взаимодействие с атомом и меняет взаимодействие атома с поверхностью подложки. Атом — «в западне», и эта «западня» сдвигается вслед за перемещением иглы туннельного микроскопа.

Дон Эйглер придумал несколько объяснений для поведения атомов металлов и малых молекул: его «молекулярный человечек» ростом в 5 нм состоял из молекул моноксида углерода (угарного газа). Весть про успехи Эйглера дошла до Японии и вызвала у тамошних ученых острую зависть. Директор Hitachi потребовал от своих научных сотрудников научиться писать атомами. Но остроумные японцы, вместо того чтобы выводить буквы на поверхности металла, выставляя на ней атом за атомом, решили снимать атомы, тоже по одному, с поверхности полупроводниковой подложки — буквы выкладывались не из атомов, а из дырок, оставшихся после удаления атомов. На надпись «IBM» японцы ответили целым лозунгом « РЕАСЕ’91 HCRL» — «МИР в 1991-м году — Центральная исследовательская лаборатория фирмы Hitachi».

Умение Дона Эйглера манипулировать атомами помогло проворным политикам в США, а затем и Японии развернуть за счет бюджета большие научно-исследовательские программы. За ними последовали и иные не слишком застенчивые правительства по всему миру; впрочем, об этом уже рассказано — в главе 1. И все же до середины 1990-х годов ни в одной лаборатории за городской чертой Альмадена не смогли воспроизвести эксперимент Дона Эйглера — уже потому, что нигде в мире ни у кого не было такого хорошего туннельного микроскопа, как в Альмадене. Только потом Герхард Мейер из Берлинского свободного университета сумел придумать усовершенствования, позволившие поставить производство туннельных микроскопов, пригодных для манипуляции атомами, на поток (причем каждый такой прибор стоил немало — примерно 0,4 млн евро!).

Дон Эйглер, что и говорить, первопроходец, но его удача породила новые вопросы. Например: а нельзя ли перемещать одиночные большие молекулы? Иголка может «наступить» не только на атом, но и на молекулу, и та схватится за кончик иглы. Но в молекуле, особенно огромной, и атомов много, и энергия захвата рассеется на многочисленных химических связях между атомами внутри молекулы. В итоге молекула не сдвинется, а то и слетит с иглы — если экспериментатор надавит на молекулу чуть посильнее.

Мы — то есть физик из лаборатории IBM в Цюрихе Джим Гимжевски и я — предложили свое решение этой задачи. Джим был из тех начинающих физиков, которые, как считало руководство IBM, должны были освоить работу с туннельным микроскопом и научиться применять этот прибор во всех областях физики и химии для изучения поверхностей. Прибор, совсем новый, позволял наблюдать явления, разворачивающиеся на поверхностях металлов и полупроводников, — можно было, к примеру, «увидеть», как атом бора (бор используется в качестве примеси, усиливающей нужные свойства полупроводника) влезает в атомную решетку полупроводника и как искажается эта решетка после появления энергичного пришельца. Микроскоп одарял нас прекрасными и весьма поучительными изображениями, но главное — очень уж не хотелось, чтобы весь приоритет заграбастали ловкачи из IBM. Еще в 1988 году, когда я пропускал электрический ток через молекулу, работая вместе с Авирамом в Нью-Йорке, Джим в Цюрихе получил первые изображения большой молекулы — фталоцианина (это такой краситель) — на поверхности серебряной подложки (см. Приложение I).

Джим продолжал возиться с макромолекулами, а я помогал ему объяснять и получаемые картинки, и то, как они возникают. В самом деле туннельный микроскоп формирует изображение, пользуясь облачками электронов, окружающих атомы, а не непосредственно самими атомами. Сигнал микроскопа столь силен, что это электронное облако становится совсем прозрачным для «туннельных» электронов, испускаемых микроскопом. Можно составить карту этой прозрачности, которая пропорциональна электропроводимости туннельного соединения «игла — молекула — поверхность». Нельзя сказать, чтобы такая карта разом становилась бы полноценным изображением — этакой «фотокарточкой молекулы». Нередко карта получалась трудночитаемой, и было непросто понять, что же изображено на картинке, и догадаться, какова форма молекулы; да и сообразить, молекула ли это или какие-то помехи, удавалось не всегда.