Нанонауки. Невидимая революция - Кристиан Жоаким

В течение XX века демоном Максвелла интересовались и биологи, в частности, Жак Моно. Они пробовали вывести Максвеллова чертика на чистую воду. Ученые, в поисках объяснения элементарных процессов, происходящих в живой природе, решили приглядеться к макромолекулам: одни большие молекулы обеспечивали незыблемость строения клетки, другие брались за иную работу. И вот в 1947 году американский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи — он еще открыл витамин С — предположил, что белки заставляют электрон двигаться вдоль своего атомного каркаса, примерно так, как это происходит в электрическом проводе. Молекула еще не сравнялась по сложности с двигателем, не уступающим в сложности демону Максвелла, но Сент-Дьёрдьи уже приписал ей способность проводить электрический ток и, значит, признал, что вовсе не обязательно сначала производить некоторый материал, а уже потом поручать ему проводить ток. Молекула, всего одна, способна исполнять очень точно конкретные обязанности в сложном процессе сборки. Молекуле в одиночку, как и предполагал Максвелл, по силам творить физику. Демон же продолжал бродить по естественно-научным пажитям и попал в конце концов в руки химиков.

Американский физикохимик Генри Таубе вспомнил идею Сент-Дьёрдьи и, чтобы ее проверить, поставил ряд экспериментов. К концу 1950-х годов он придумал и синтезировал продолговатые молекулы (около 1 нм в длину и диаметром 0,2 нм). Затем он исследовал их методами спектроскопии: пропустив луч света через объем раствора, содержащий миллиарды таких молекул, он обнаружил такое поглощение инфракрасного излучения, которое можно было объяснить только какими-то межмолекулярными взаимодействиями. Таубе показал, что энергия поглощенного излучения связана с перемещением — или передачей — электрона из одного места молекулы в другое. Тем самым он получил доказательства того, что электроны способны двигаться по молекуле по одному и один за другим — почти так же, как по электрическому проводу. Впервые удалось придумать — и создать — молекулу, в которой электроны могли перемещаться с одного ее края до противоположного.

В начале 1970-х годов под Нью-Йорком в исследовательских лабораториях Т. Дж. Уотсона, принадлежащих компании IBM, работал американский химик Ари Авирам. Как-то он встретился с Марком Ратнером из Университета штата Нью-Йорк, и после бурных обсуждений эти двое выдвинули идеи, которые было трудно воспринять любому физику того времени, даже весьма увлеченному электроникой и знакомому с новейшими достижениями в этой области. А дело в том, что Ратнер с Авирамом решили: вместо крошечного проводника куда разумнее приспособить к выпрямлению электрического тока молекулу, нужно только заставить ее проводить ток лишь в одном направлении. Для этого они придумали небольшую молекулу длиной 1,2 нм, состоявшую из двух разных частей: одна часть обогащена электронами, а другая — напротив, обеднена ими. Молекула, подключенная к двум электродам, по электроду на каждый край, работала как выпрямитель: электроны с электрода не могли пробиться через область, богатую электронами (те не пускали своих товарищей), но зато легко проскакивали через область, бедную электронами. Значит, электроны переносились через молекулу, то есть можно сказать, что через эту молекулу протекает электрический ток — но только в одну сторону.

Итак, столетием спустя после того, как Максвелл изобрел своего демона, Авирам и Ратнер описали молекулу, которая способна делать то же, что и максвелловский демон, но без всякой бесовщины. Такая молекула — сама по себе прибор. Сверхминиатюризованный. И ведет себя как демон Максвелла: в самом деле, молекула, как и чертик, сортирует частицы, но только не молекулы, а электроны, пропуская их лишь в одном направлении. Более того, эта молекула не смешивается с миллиардами миллиардов других молекул, потому что она может выполнять свое задание, а они — нет. Мысль о превращении одной, непохожей на другие, молекулы в электронный прибор ознаменовала рождение молекулярной электроники. Вот только тут возникла одна непростая задача: как к этой молекуле подсоединить макроскопические электрические провода?

В середине 1980-х годов способов пропустить электрический ток через одну-единственную молекулу не существовало. И Авирам с Ратнером никак не могли доказать, что их молекула умеет выпрямлять ток. От них все только отмахивались: уж очень мала молекула, да и как к ней подвести провода? Других молекулярная электроника просто не интересовала: а зачем все это? Микроминиатюризация и без того движется вперед на всех парах. Мало-помалу сама идея молекулярной электроники выдыхалась.

В 1985 году, будучи молодым ученым, каковым я мог себя считать, поскольку уже написал диссертацию, я пришел к директору находящейся в Тулузе лаборатории оптики Национального научно-исследовательского центра (CNRS), чтобы ознакомить его с решением задачи подключения, которое долго вынашивалось в моей голове. Мысль — проще некуда: сфокусировать пучок электронов электронного микроскопа на одной молекуле — а вдруг эта молекула пропустит несколько электронов? А потом их — эти проскользнувшие через молекулу электроны — попытаться собрать на электроде, подсоединенном к другому концу той же молекулы. Идея была очень уж наивная, и директор на пальцах растолковал мне, что молекула сразу же сгорит в высокоэнергетическом электронном пучке, так и не успев впустить в себя хоть парочку электронов.

Сам Авирам вел долгие разговоры по тому же поводу со знатоками электронной литографии из IBM. Он домогался от них ответа на такой вопрос: раз уж мы дожили до того, что методами электронной литографии удается формировать на поверхности кремния металлические проводки размером порядка 20 нм, то нельзя ли расщепить такой проводок, чтобы вставить в расщелину парочку-другую молекул? Специалисты, увы, его разочаровали: и проводок не разрезать — нечем и никак, а если бы это даже и удалось, то как добиться такой точности, которая нужна, чтобы щель получилась молекуле по размеру? Чтобы ей в щели было не тесно, но и не слишком просторно?

А между тем появилась совсем новая техника — туннельный микроскоп, изобретение европейских сотрудников IBM, которые работали в Цюрихе. Из Швейцарии новинка попала в другие исследовательские лаборатории IBM и даже в некоторые университетские лаборатории. В 1983 году туннельным микроскопом обзавелась и та лаборатория, в которой трудился Ари Авирам. Физики сразу же приспособили новый прибор к изучению полупроводниковых поверхностей: атомное разрешение (на изображении были различимы детали величиной с атом) позволяло не только лучше увидеть и понять структуру полупроводника, но и заметить ее дефекты. Авирама же эта задача оставила равнодушным — он возился с синтезом очередной новой молекулы.

А потом его осенило, как поменять форму молекулы таким образом, чтобы она работала выключателем — прерывателем электрического тока. Идея была такая: посадить молекулу на точку спайки, соединяющей два металлических электрода, а затем создать вокруг этой молекулы электрическое поле, которое заставит два атома водорода переместиться вдоль нее. Этот перенос атомов изменит ее электронную структуру, то есть распределение электронов внутри молекулы, и соответственно ее электропроводимость. Поскольку молекула теперь куда лучше проводит ток, чем в прежнем виде, то и ток во внешней электрической цепи должен увеличиться. А если гонять атомы водорода то в одну сторону, то в другую, молекула станет прерывателем электрического тока.

Но молекула-выключатель оставалась слишком уж крошечной, чтобы Авираму удалось убедить своих товарищей из IBM в том, что из его хлопот когда-то выйдет что-то путное, практичное.

Прошло время, и Авирам как-то все-таки обратил внимание на туннельный микроскоп, который уже три года работал в его лаборатории. Ари очень заинтересовала игла этого прибора — надо же, такая тонкая, кончик острия — всего несколько атомов! Вот он, тот самый ультраминиатюризованный электрод для подключения к одной-единственной молекуле, решил Авирам, и поспешил сплотить вокруг себя команду исследователей, сосредоточенных на одной цели: установить контакт между иглой и молекулой. Начали мы с подложки из золота. Потом рассыпали на золотой поверхности молекулы-выключатели, синтезированные Авирамом. Такая поверхность должна быть совершенно ровной, иначе любой заусенец можно принять за молекулу — нашу молекулу. Дело оказалось весьма непростым: иголка дергалась и из-за этого не задерживалась возле молекулы даже на секунду. Времени явно не хватало: даже если электроны и переберутся с иглы на молекулу, электронные схемы, управляющие туннельным микроскопом, просто не успеют засечь сигнал. Тогда мы перенастроили электронику микроскопа на самые скоротечные сигналы. И вспомнили все молитвы и все суеверия: надежда на успех, несмотря ни на что, жила в наших сердцах.