Генрих Эрлих - Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Проблема анализа поверхности между тем становилась все более насущной. Особенно остро она стояла в компании IBM, производившей разнообразные микроэлектронные устройства. В Базеле, в Швейцарии, у IBM было специальное исследовательское подразделение, которое занималось, в частности, разработкой методов анализа полупроводниковых материалов. Руководил этими работами Генрих Рорер. В 1978 году он пригласил на работу молодого немецкого физика Герда Биннига, которому было суждено вписать одну из ярчайших страниц в развитие мировой науки.

Впрочем, этого ничто поначалу не предвещало. Родился Бинниг в 1947 году во Франкфурте-на-Майне, физикой увлекся в десятилетнем возрасте, но потом еще сильнее увлекся музыкой, футболом, плаванием. Физический факультет Франкфуртского университета он окончил без отрыва от выступлений со своей рок-группой. Эта веселая жизнь продолжилась и в аспирантуре, не образумила Биннига и ранняя женитьба. Занимался он в аспирантуре туннельной спектроскопией полупроводников, эта работа все больше приводила его к мысли, что он сильно ошибся с выбором профессии. Схоластика, рутина, никакого творчества!

Взялся за ум Бинниг, по его собственному выражению, под влиянием личного психоаналитика – жены Лоры. В 1978 году он таки защитил диссертацию и принял предложение Рорера поступить на работу в швейцарское отделение IBM. Биннигу было поручено придумать что-нибудь, что позволяло бы обнаруживать дефекты в сверхтонких пленках, нанесенных на поверхность металла или полупроводника. “Придумать” – это слово было для Биннига самым важным, он понял, что попал в нужное место. Он предложил использовать хорошо знакомый ему туннельный эффект и после детального изучения научной литературы принялся измерять величину туннельного тока в зависимости от удаления кончика иглы от поверхности. Многие сотрудники отделения сочли эту идею бредовой, некоторые прямо говорили Рореру, что он сделал ставку не на того человека, но Рорер идею поддержал и даже выделил Биннигу на подмогу молодого талантливого инженера Кристофа Гербера.

Можно сказать, что они повторили работу Рассела Янга, но на более высоком научном и техническом уровне. Они взяли у него идею иглы-зонда, пьезоэлектрическую систему позиционирования и систему обратной связи. Но Бинниг сделал ставку на туннельный эффект, он приблизил иглу к поверхности на расстояние менее одного нанометра, что сразу привело к увеличению разрешения. Впрочем, не сразу, для этого исследователям пришлось решить ряд сложнейших технических проблем, до которых у Янга просто не дошли руки. Да и техника за десятилетие далеко продвинулась вперед.

Одна из проблем заключалась в изоляции от акустических и механических вибраций. В первой модели сканирующего туннельного микроскопа (так был назван новый прибор) для этого использовали новейшую разработку того времени – сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла.

Большим подспорьем оказался прогресс в области ЭВМ, но тут, как говорится, все козыри были на руках у IBM. Как и в создании быстродействующей малошумящей электроники. Задача разглядеть структуру непременно с атомарным разрешением не ставилась, это стало для исследователей неожиданным и потому вдвойне приятным бонусом. Они и сами поначалу не поняли, что это за бугорки торчат ровными рядами на поверхности золотой фольги, которую они поместили в свой прибор в один из дней 1981 года. По всему выходило, что это атомы, но исследователи не верили собственным глазам. Фотографию эту Бинниг с Рорером опубликовали только через два года. Более убедительным им показалось следующее полученное ими изображение – поверхности монокристалла кремния с четко видными шариками атомов. Но это нам сейчас четко видно, а в 1982 году ученые высказали привычный уже скепсис.

Сам же новый прибор для изучения поверхности вызвал большой интерес. Немало способствовали этому изобретатели, которые рекламировали его где только можно и с готовностью принимали посетителей в своей лаборатории в Цюрихе. Что ни говори, а IBM в плане пиара даст сто очков вперед Национальному бюро стандартов США.

Но среди всей этой суеты Бинниг, по его собственному признанию, загрустил. Приложив невероятные усилия, он создал выдающийся прибор, ничего подобного ему в будущей жизни, скорее всего, создать не удастся. По сравнению со сканирующим туннельным микроскопом все это будет рутиной. К счастью, он ошибся. Для смены обстановки Бинниг перебрался в Калифорнию, в головную исследовательскую лабораторию IBM, и там его посетила новая идея.

Бинниг, как никто другой, знал главный недостаток сканирующего туннельного микроскопа: его применение ограничено электропроводящими образцами или веществами, нанесенными на поверхность проводника. Вот если бы обойтись без измерения силы электрического тока… Бинниг стал анализировать различные типы взаимодействия между кончиком иглы и поверхностью образца и пришел к выводу, что для его целей лучше всего подходят пусть слабые, но зато универсальные ван-дер-ваальсовы взаимодействия между атомами. Вот только как измерить силу этого взаимодействия между атомом, находящимся на самом кончике иглы зонда, и ближайшим атомом поверхности образца?

Идея выглядит еще более сумасшедшей, если знать, во что она в конце концов воплотилась. В созданном Биннигом атомно-силовом микроскопе в качестве зонда используют не просто тончайшую иглу, а балку (консоль) из монокристалла кремния с размерами порядка долей миллиметра, называемую кантилевером, на которой укреплена собственно игла. А измеряют степень изгиба этой балки под действием сил притяжения или отталкивания между двумя атомами. Это все равно, что измерять изгиб торчащего из бетонной стены стального швеллера, на конец которого опустилась пылинка. Невозможно, скажете вы. Соглашусь. Но Бинниг это сделал, экспериментальный факт.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп – поистине универсальный прибор. С его помощью можно изучать объекты любой физической и химической природы. Кроме того, измерения можно проводить не только в вакууме, но и других средах, вплоть до водных растворов (при этом, естественно, изучают молекулы, адсорбированные на твердой поверхности). Все это особенно важно для исследования биологических объектов – белков, нуклеиновых кислот, клеток, вирусов, бактерий и т. д.

Разработал его Бинниг в 1986 году. В том же году пришла награда – за сканирующий туннельный микроскоп Бинниг получил Нобелевскую премию по физике. Вместе с Рорером и Руской. С последним Биннига с Рорером объединяло только слово “микроскоп”, но Нобелевский комитет пошел на это, чтобы воздать должное патриарху. Лауреатов может быть максимум три, так что Кристоф Гербер остался за чертой призеров. Он получил в виде компенсации множество других премий, но кто о них знает, кроме узких специалистов? Нобелевский комитет отметил также специальным коммюнике вклад Рассела Янга в создание сканирующего туннельного микроскопа. Кто сейчас помнит о Расселе Янге? Его фамилия, как и фамилия Гербер, все реже упоминается в историях создания зондовых микроскопов. Все придумал Бинниг, а Рорер был его начальником. Тут действует общее правило: победитель получает все.