Эрик Дрекслер - Безграничное будущее: нанотехнологическая революция

Физики недавно представили новые перспективные инструменты для молекулярной инженерии. Это проксимальные зонды, в том числе сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ). Проксимально-зондовое устройство помещает острый наконечник в непосредственной близости от поверхности и использует его для зондирования (а иногда и модификации) поверхности и любых молекул, которые могут быть к ней прикреплены.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, слева) предназначен для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением, позволяющим наблюдать отдельные атомы, анализируя скачки тока в зазоре между наконечником и поверхностью. Атомно-силовой микроскоп (АСМ, справа) воспринимает контуры поверхности механическим контактом и оптически: луч лазера направляется на внешнюю поверхность, отражается и попадает на фотодетектор.

СТМ подводит острую электропроводящую иглу к электропроводящей поверхности, почти касаясь ее. Игла и поверхность электрически соединены (см. левую сторону рисунка 4), так что ток будет течь, если они касаются, например, закрывая переключатель. Но в какой момент мягкие, нечеткие атомы «соприкасаются»? Оказывается, что ток обнаруживается, когда контактируют всего два атома — нечеткие полосы едва перекрываются — один на поверхности и один на кончике иглы. Осторожно перемещая иглу возле поверхности и сохраняя ток, протекающий с крошечной постоянной скоростью, STM может отображать форму поверхности с большой точностью. Естественно, что для того, чтобы поддерживать постоянный ток, игла должна подниматься и опускаться, проходя над отдельными атомами.

СTM был изобретен Гердом Биннигом и Генрихом Рорером, физиками-исследователями, изучающими поверхностные явления в исследовательских лабораториях IBM в Цюрихе, Швейцария. Заявку на патент они подали в середине 1979 года на основании результатов своей работы в 70-х годов. В 1982 году они получили изображения поверхности кремния, показывающие отдельные атомы. Надо отметить, что важность их работы была признана не сразу: первая научная статья Рорера и Биннига о новом инструменте была отклонена для публикации на том основании, что она «недостаточно интересна». В настоящее время конференции, где обсуждается СТМ, привлекают сотни заинтересованных исследователей со всего мира.

В 1986 году — значительно быстрее, чем это обычно происходит — Бинниг и Рорер были удостоены Нобелевской премии. Шведская академия так объяснила свой выбор: «сканирующий туннельный микроскоп является совершенно новым изобретением, и мы знакомы пока еще только с началом его использования. Однако ясно, что СТМ открывает совершенно уникальные возможности для изучения вещества». СТМ больше не является экзотикой: Компания «Digital Instruments» из Санта-Барбары, Калифорния, продает свою систему (Наноскоп) по почте, гарантируя атомное разрешение или возврат денег. В течение трех лет после их коммерческого внедрения были приобретены сотни СТМ.

Связанный с ним атомно-силовой микроскоп (справа на Рис. 4) еще проще по своей концепции: иголка зонда мягко прижимается к исследуемой поверхности пружиной и перемещается по ней. Инструмент воспринимает движения пружины (обычно оптически), которая движется вверх и вниз всякий раз, когда наконечник попадает на атом на поверхности. Кончик «чувствует» поверхность так же, как кончик пальца в моделируемом молекулярном мире. АСМ был изобретен Биннигом, Куэйтом и Гербером в Стэнфордском университете и IBM San Jose в 1985 году. Важность АСМ была немедленно признана после успеха СТМ. Среди других преимуществ следует отметить, что он работает с непроводящими материалами. В следующей главе будет описано, как устройства на основе АСМ могут быть использованы в качестве молекулярных манипуляторов при разработке молекулярных нанотехнологий. Сообщается, что АСМ уже стали коммерчески доступными.

Обратите внимание, что АСМ и СТМ не так просты в использовании, как может показаться по описаниям. Например, плохой наконечник или шероховатая поверхность могут помешать разрешению атомов, и еще — не рекомендуется стучать по столу, когда работают такие чувствительные инструменты. Кроме того, ученые часто испытывают трудности с отождествлением того, что они наблюдают, даже когда получают хорошее изображение.

Для тех, кто привык думать в терминах нанотехнологий, СТМ сразу же выглядела многообещающей не только для наблюдения за атомами и молекулами, но и для манипулирования ими. Эта идея вскоре получила широкое распространение среди физиков. Как заявил Кэлвин Куэйт в «Physics Today» (1986): «Некоторые из нас считают, что сканирующий туннельный микроскоп будет совершенствоваться… что однажды [он] будет использоваться для записи и чтения моделей молекулярного размера». Этот подход был предложен как путь к молекулярной нанотехнологии в «Машинах создания» (1986).

К настоящему времени появились многочисленные научные публикации, посвященные использованию наконечников STM и AFM для царапания, плавления, эрозии, вдавливания и другого изменения поверхностей в нанометровом масштабе. Эти операции действительно перемещают атомы, но недостаточно их контролируют. Они совершают массовые операции в крошечном масштабе — одна тонкая царапина шириной в несколько десятков атомов вместо миллиардов, которые возникают в результате обычных операций полировки.

В 1987 году Р. С. Беккер, Я. А. Головченко, Б. С. Шварцентрюбер из «AT&T Bell Laboratories» объявили, что использовали СТМ для доставки небольших капель на поверхность из германия. Считалось, что каждая капля состоит из одного или нескольких атомов германия. Вскоре после этого исследователи IBM Альмаден Джон Фостер, Джейн Фроммер и Патрик Арнетт достигли важного результата в перемещении молекул на основе СТМ. Из этой команды Фостер и Арнетт приняли участие в первой Форсайт-конференции по нанотехнологиям, где рассказали нам о подробностях своей работы.

Фостер пришел в IBM из Стэнфордского университета, где он получил докторскую степень по физике и преподавал в аспирантуре. Работа с СТМ стала одним из его первых проектов в корпоративном мире. Он называет своего коллегу Арнетта бывшим «полупроводниковым жакеем», который был участником в создании чипов в лабораториях IBM в Берлингтоне и Йорктауне. Помимо своей докторской степени в области физики, Арнетт обладал опытом инженерной работы.