Кристиан Жоаким - Нанонауки. Невидимая революция

В 1995 году мы изучали большую молекулу соединения, называющегося порфирин, и смогли построить карту ее электропроводности, однако так и не поняли некоторые детали этой карты. Джим вместе с молодым физиком по имени Томас Юнг, который входил тогда в нашу группу, занимался изображениями, а я — расчетами, истолковывающими эти картинки. И вот в апреле приходит сообщение от Томаса: «Она движется!»

Вскоре мы с Джимом решили ввести в эксперимент еще один параметр и слегка приподнять тело молекулы над поверхностью, чтобы изменить взаимодействие между молекулой и поверхностью. Мы задались вопросом, как это повлияет на карту проводимости, и поставили несколько новых опытов с молекулой порфирина, оснащенной четырьмя маленькими молекулярными ножками, приподнимавшими молекулу над поверхностью на 0,4 нм. Томасу было поручено получить серию изображений этой молекулы о четырех лапках. Ему, как и Дону Эйглеру, было невмоготу сидеть у экрана компьютера и дожидаться, пока высветится одна картинка, потом другая, и он решил получать изображения на магнитоскопе. С утра он просматривал череду изображений на повышенной скорости и заметил, что несколько четвероногих молекул сместились в сторону наклона. Он тут же отправил мне мейл. Вот когда до нас дошло, как игла микроскопа двигает макромолекулой: надо приделать к молекуле лапки и как следует толкнуть ее иглой. Вроде бы очевидно — во всяком случае, мысль не поражает ни новизной, ни глубиной. Но тогда, в начале 1990-х годов, никто и не думал, что в обращении с объектом меньше нанометра применимы понятия механики — те же, что и в макроскопическом мире. Мы до того были пропитаны квантовой механикой, что не смели и думать о приложении классической механики к нанометрическим масштабам, к одной-единственной молекуле.

Тем не менее эта самая молекула превосходно знала законы механики Ньютона и охотно им подчинялась. Мы показали методами численного моделирования, что если ножки молекулы достаточно высоки, а кончик иглы находится над молекулой на такой высоте, что игла взаимодействует преимущественно с «серединкой», то какая-то доля энергии, движущей иглой, не рассеивается внутри молекулы, а сдвигает ее. Значит, надо учиться располагать иглу над молекулой на правильной высоте. И незачем замораживать металлическую поверхность, как это было в опытах с атомами ксенона. А четырех лапок хватало, чтобы молекула достаточно прочно сцеплялась с поверхностью на новом месте в четырех точках и, значит, не пыталась убежать, даже при комнатной температуре.

Потом было много других молекул, которые мы сдвигали и перемещали по металлическим и полупроводниковым поверхностям. А искусство манипулирования молекулами с тех пор только совершенствовалось. Но возникли новые вопросы, например: а нельзя ли манипулировать атомами и молекулами на поверхности диэлектрика? В самом деле, если поверхность — проводящая, то есть металлическая или полупроводниковая, то игла, молекула и сама поверхность взаимодействуют между собой — электрически. Поверхность похожа на ловушку — или часть ловушки, — в которую попадает атом или или молекула; вторая сторона ловушки — сама игла. А если поверхность не проводит ток (диэлектрик), то взаимодействия нет и о захвате или ловушке говорить не приходится. Нашлось немало исследовательских коллективов, пытавшихся ответить на этот вопрос, и они обнаружили что-то похожее на очень слабое взаимодействие (его назвали ван-дер-ваальсовым). А вот еще вопрос, больше на будущее; пусть атомные и молекулярные манипуляции происходят в двух измерениях на некоторой поверхности; так нельзя ли будет в один прекрасный день выковырять одну молекулу из этой поверхности и потом протащить ее в любом произвольном — по желанию экспериментатора — направлении? А пока умеющая манипулировать атомом в пространстве — и выполняющая желания экспериментатора — игла туннельного микроскопа уже действует как волшебный ключик и открывает тайны законов, правящих миром внизу. Манипулирование атомами позволит ставить неслыханные и невообразимые прежде физические опыты: например, исследовать механические или электрические свойства одиночной молекулы.

В макроскопическом масштабе выключатель — то есть прерыватель тока — выглядит как металлическая пластинка с пружиной. Опрокидываясь, как коромысло, эта железка замыкает два электрических контакта. В «мире внизу» на роль такого замыкателя годится одиночный атом. В 1987 году Авирам уже предлагал молекулу-выключатель, и мы даже ставили эксперимент, пробуя использовать молекулу в качестве выключателя. В 1993 году. Дон Эйглер предложил вместо молекулы, которая, для того чтобы переключать ток, должна менять свою форму, взять какой-нибудь атом и заставить его работать «коромыслом», замыкающим или размыкающим электрические контакты. Смещением атома можно было бы управлять, прикладывая напряжение в несколько вольт между иглой и поверхностью подложки: меняя напряжение, заставить атом двигаться туда, куда захочется экспериментатору. Нет напряжения, и ток ничтожно мал; стало быть, выключатель — в положении «выключено». Когда же атом, опрокинувшись, прикоснется к кончику иглы, ток вырастет в полсотни раз — и положение выключателя переменится на «включено». Итак, состояние атома-переключателя можно менять, то есть переводить из положения «включено» в положение «выключено», и наоборот. Вот и пришло время на весь мир объявить о создании первого атомного выключателя. Десятью годами спустя Франческа Мореско из Берлинского университета построила выключатель на молекуле, которая у нее работала коромыслом-замыкателем. Использовать в переключателе молекулы, а не атомы, кажется очень заманчивым: у молекулы есть известные химические свойства, которые можно менять, меняя тем самым ее взаимодействие с поверхностью и, значит, опрокидывая эту молекулу, причем очень быстро.

Следующий нанофизический эксперимент имел дело с электрическим подключением одиночной молекулы. В 1987 году мы с Ари Авирамом уже ставили опыт с подключением молекулы-выключателя. Молекулы были рассеяны на металлической поверхности, в которой был установлен первый контактный электрод (то есть поверхность и была одним из электродов). Экспериментатор подводил иглу туннельного микроскопа к какой-нибудь из этих молекул — игла служила вторым электродом. Надо было медленно опустить иглу на молекулу, чтобы установить с ней электрический контакт. Но откуда мы знаем, когда именно — в какой момент — устанавливается контакт между иглой и молекулой?

Чем ближе игла опускается к молекуле, тем сильнее она ее деформирует. При этом ток через молекулу тем больше, чем сильнее она изуродована. Однако если игла опустится совсем низко, то она просто раздавит молекулу. Так что надо искать тонкий компромисс, добиваясь возможно большего значения тока при возможно меньшем искажении формы молекулы. Чтобы лучше подбирать высоту иглы, чего в середине 1990-х мы не умели, Джим Гимжевски и я решили попробовать вновь подключить иглу к молекуле. На этот раз мы взяли молекулу фуллерена (в ней 60 атомов углерода, а по виду она похожа на футбольный мяч). Эксперимент состоял в следующем. Мы поместили несколько молекул фуллерена на поверхности кристалла золота и стали опускать иглу на одну из этих молекул, измеряя ток в цепи, состоящей из поверхности золотого кристалла, молекулы фуллерена и иглы. Нам хотелось понять, как зависит ток от расстояния между острием иглы и молекулой. Поначалу сила тока росла плавно, но затем мы отметили резкий скачок — когда расстояние между иглой и поверхностью уменьшилось до 1,1 нм. Слегка меняя положение иглы, чтобы как можно точнее определить переломную точку, мы ее нашли, при этом контакт иглы и молекулы фуллерена установился, а форма ее была не искажена; впервые мы установили электрический контакт с одной-единственной молекулой!