Мы не можем разглядеть атомы невооруженным глазом — они слишком малы. Однако это не значит, что они по-прежнему остаются для нас загадкой. Современные технологии позволяют не только наблюдать отдельные атомы, но и перемещать их, словно детали конструктора. О том, как ученые смогли преодолеть границы видимого мира, рассказывает Михаил Метлин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Почему обычный микроскоп не видит атомы?
Размер атомов колеблется от 0,05 до 0,3 нанометра — это в десятки тысяч раз меньше длины волны видимого света (около 500 нанометров). При такой разнице оптический микроскоп оказывается бесполезен, так как он не способен различать объекты, значительно уступающие по размеру длине волны света.
«Разрешающая способность любого микроскопа напрямую связана с длиной волны зондирующего излучения. Поэтому, если мы хотим действительно «увидеть» атом, нужно либо использовать зонд с намного меньшей длиной волны, либо вовсе отказаться от светового подхода и искать сигналы другим способом», — объясняет Михаил Метлин.
Электроны вместо видимого света
Настоящую революцию в изучении микромира совершила электронная микроскопия. В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) вместо света используется пучок электронов, разогнанных до высоких энергий (порядка 100 килоэлектронвольт).
Благодаря волновым свойствам электронов (описанных де Бройлем) их длина волны может составлять всего 0,004 нанометра, что позволяет различать отдельные атомы.
Сканирующая туннельная микроскопия: игла, чувствующая атомы
«Настоящий прорыв произошел в 1981 году, когда Герд Бинниг и Генрих Рорер из цюрихской лаборатории IBM придумали нечто совершенно новое — сканирующий туннельный микроскоп, или СТМ. Вместо света или электронного пучка они воспользовались странным, но реальным квантовым эффектом — туннелированием», — рассказывает эксперт.
Если острая металлическая игла приближается к поверхности на расстояние менее одного нанометра, между ней и образцом возникнет туннельный ток. Этот ток крайне чувствительный к межатомным расстояниям. Измеряя этот ток, можно построить карту электронной плотности и увидеть отдельные атомы. За это открытие ученые получили Нобелевскую премию по физике в 1986 году.
Но на этом развитие микроскопии не остановилось.
Атомно-силовой микроскоп: когда важны не только электроны
Позже Бинниг вместе с Куэйтом и Кристофом Гербером разработали атомно-силовой микроскоп (АСМ), который измеряет не ток, а силы взаимодействия между зондом и поверхностью.
«На конце микроскопа находится микроскопический гибкий рычажок, кантилевер, с острейшим наконечником. Он сгибается под действием этих сил, а лазерный луч, отражаясь от него, фиксирует мельчайшие движения. Благодаря этому АСМ умеет картировать не только проводники, но и диэлектрики, и даже живые системы — от одиночных молекул ДНК до целых клеток с точностью до нанометра», — поясняет эксперт.
Три кита нанотехнологий
Сегодня перечисленные три ключевых метода составляют фундамент нанонауки:
- Электронная микроскопия;
- Сканирующая туннельная микроскопия;
- Атомно-силовая микроскопия.
С их помощью можно буквально следить за тем, как образуются и распадаются химические связи, как дефекты в кристалле меняют поведение материала, как работают устройства размером в миллиардные доли метра в реальном времени.
«Мы изучаем структуры, о существовании которых раньше можно было только догадываться: сверхпроводящие перемычки, фотонные элементы для нейроморфных чипов, идеально сферические нанокапли металлов и многое другое», — рассказывает Михаил Метлин.
Синхротроны: мощнее любого микроскопа
Еще более впечатляющие возможности открывают синхротроны — ускорители, в которых электроны движутся почти со скоростью света, испуская интенсивное рентгеновское излучение. Оно позволяет заглянуть внутрь кристаллов, отслеживать перемещение атомов в ходе химических реакций и даже изучать процессы в пикосекундном масштабе (1 пикосекунда составляет одну триллионную часть секунды).
«В ближайшем будущем синхротронные исследования могут стать незаменимым инструментом в прецизионной медицине, фармакологии и квантовой инженерии», — добавил эксперт.