Нанонауки. Невидимая революция - Кристиан Жоаким

Из вышесказанного ясно, что туннельный микроскоп относится к микроскопам ближнего поля: кончик иглы удерживается близ обследуемой поверхности. Если нечаянно или еще почему-то игла коснется поверхности, сила тока мгновенно увеличится до величин порядка 100 мкА, что в сто тысяч раз больше туннельного тока. Прибор оснащен специальной амортизацией, оберегающей иглу от внешних механических колебаний.

После изобретения туннельного микроскопа удалось получить множество изображений различных металлических и полупроводниковых поверхностей и разрешить большое количество проблем кристаллографии. А через некоторое время по ходу совершенствования туннельного микроскопа был создан микроскоп «на атомной силе»: для получения изображения используются силы, возникающие при взаимодействии иглы и сканируемой поверхности. Это силы притяжения — ван-дер-ваальсовы силы — и силы отталкивания, проистекающие из принципа непроницаемости атомов. Таким образом, в полку микроскопов ближнего поля — пополнение.

Вернемся к нашей молекуле фталоцианина меди. Игла туннельного микроскопа сканирует поверхности и создает изображения. А что будет, если на поверхность «выложить» какие-нибудь атомы или молекулы? А вдруг они окажутся настолько непрозрачными для электронов, замешанных в туннельном эффекте, что возникнет какой-никакой, но образ — этакие протуберанцы или сполохи на поверхности?

Джим Гимжевски, решив проверить это предположение, выбрал в качестве образца фталоцианин меди. Он поместил кучку молекул этого вещества на серебряную поверхность, зная, что серебро очень хорошо проводит электричество. Затем он окунул в скопление молекул иглу туннельного микроскопа и, убедившись, что несколько из них прилипло к игле, попытался перенести молекулы в другое место. И ему это удалось: он приблизил иглу к выбранному участку и стряхнул с нее несколько молекул, которые затем беспорядочно рассредоточились по поверхности. Потом он очистил иглу, слегка повысив приложенное к ней напряжение, и приступил к эксперименту: передвигая иглу близ того места, где он разбросал молекулы фталоцианина меди, Гимжевски смог получить изображение — первое изображение одиночной молекулы, полученное на туннельном микроскопе (рис. 4).

Рис. 4. Изображение молекулы фталоцианина меди на поверхности кристалла серебра, полученное в 1987 году Дж. К. Гимжевски на туннельном микроскопе в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе. Четыре дольки соответствуют тем четырем долькам белых крестиков, что видны на изображении, полученном в 1957 году на автоэлектронном микроскопе (см. рис. 2). Размеры участка на фото: 5 нм x 5 нм

И оно удивительно напоминало картинку, полученную Эрвином Мюллером тридцатью годами ранее. Однако оба опыта как бы противоположны друг другу: у Мюллера молекула была на игле, у Гимжевски — на поверхности. Вот как начиналось новое приключение, открывавшее неслыханные возможности, совершенно недоступные как автоионному, так и электронному микроскопам. Подумать только: притронуться к молекуле кончиком иглы, которая, в сущности, продолжает палец исследователя…

Приложение II

Злоключения одной приставки

Предание повествует о древнегреческом поэте Мимнерме, жившем лет за 600 до начала нашей эры в Колофоне. Стихотворец подпал под чары игравшей на флейте шаловливой красавицы по имени Нанно. Примерно в те же времена моряки из торгового порта Фокея добрались до южного берега Галлии. Там, на месте нынешнего Марселя, в эпоху греческой колонизации жило племя лигуров, а правил ими царь по имени Нанн. У царя была дочь на выданье. И вот царь устроил пир, на котором дочка должна была выбрать себе жениха — из приглашенных гостей. Вышло так, что княжна, отвергнув местных красавцев, предпочла одного из греческих моряков. Гостей на том пиру потчевали сладкими медовыми пряниками. Прошли века, а в марсельском порту моряки с удовольствием поедали нанно — медовые пряники, похожие на древние лигурийские сладости. Правда, потом это словечко «нанно» как-то забылось. И ни те греческие философы, которые «изобрели» атомы (кстати, греки называли карликов «нанос»), ни другие ученые мужи, жившие много позже, не вспомнили про «нанно», когда появилась оптическая микроскопия и понадобилось слово для обозначения предметов, невидимых для невооруженного глаза. Выбрали приставку «микро», от греческого «микрос» — малый. А поскольку прибор, помогавший видеть то, что не увидеть невооруженным глазом, назвали микроскопом, приставка «микро» скоро стала и общепринятой да и общепонятной. Все знали: «микро» — это что-то очень маленькое.

Блез Паскаль вообще обошелся без греческого языка, когда вопрошал об «анималкулах» (лат. анималкула — маленький зверь), то есть о тех крошечных существах, что обнаружили первые ученые-микроскописты. Позже Вольтер в своем сочинении «Микромегас» вывел самых разных героев — очень крупных и совсем мелких, размеры которых доходили или, вернее, нисходили до атомного масштаба. Главный персонаж по имени Микромегас (ростом в 8 льё, то есть примерно 30 км), уроженец планеты из системы Сириуса, знакомится с карликовым — рост всего 1000 туаз, около 1,8 км, — обитателем Сатурна, но затем оказывается, что «карлик» — лишь «промежуточное звено» между великим и малым. Эта парочка встречается с землянами, а это совсем уж «атомы», хотя именно они — главная приманка философской сказки Вольтера. Эти мелкие земляне умеют говорить и даже знают геометрию. Более того, Вольтер делает смелое предположение, что у крошечных землян может быть даже душа!

Впервые «нанно» как научный термин появился только в 1909 году, в Германии, когда на семинаре в Германском обществе зоологии выдающийся профессор зоологии университета в Киле Ханс Ломан предложил называть микроскопические водоросли, которые он наблюдал с помощью оптического микроскопа, «наннопланктоном», — на том основании, что греческое nannos — перевод немецкого слова Zwerg, означающего «карлик». То, что Ломан сохранил двойное «эн», существенно повлияло на участь приставки. До сего дня часть биологов сохраняет веру в то, что область науки, которой они занимаются, называется наннобиологией, и публикуют свои работы в «Журнале исследований наннопланктона» — Journal of Nannoplankton Research. В главе 5 упоминались и другие биологи — те, что в наши дни изучают наннобактерии — организмы, величина которых меньше 100 нм. Ломан придумывал свою приставку для обозначения объектов величиной меньше микрометра. В начале XX века единицей измерения, использовавшейся для описания величины молекул, служила миллионная доля миллиметра, именуемая «микромиллиметром», а по-французски и вовсе непроизносимое: «septième-centimètre», то есть «сантиметр в (отрицательной) седьмой степени». Изучение излучений, испускаемых газами или пропускаемых через газы, шло тогда вперед семимильными шагами. Примерно в то же время были открыты рентгеновские лучи — с длинами волн в тысячу раз меньше, чем у видимого света. И повестка дня властно потребовала изобретения новых обозначений для единиц измерения сверхмалых величин. Чтобы убедиться в этом, достаточно ознакомиться с отчетами о Нобелевских премиях по физике за 1900–1920 годы: сообщения о результатах пестрят нулями после запятой. В статьях, выходивших в те годы, длину волны рентгеновских лучей указывали в сантиметрах: например 0,000000001 см! И тогда было решено измерять длины волн в ангстремах — в честь шведского физика Андерса Юнаса Ангстрема, внесшего большой вклад в развитие спектроскопии. Среди прочего он составил подробную диаграмму солнечного излучения, найдя каждому оттенку этой многоцветной палитры свою длину волны и выражая их значения в десятимиллионных долях миллиметра (10-10 м). Этот множитель был определен как ангстрем (А) и в 1905 году утвержден в качестве единицы измерения.

Та же потребность в создании новых наименований множителей для единиц измерения, кратных метру, во второй раз побудила ученых вспомнить о приставке «нано». В октябре 1958 года во время заседания Международного комитета мер и весов было принято решение согласиться с предложением, с которым еще в 1956 году выступал советский ученый Г. Бурдун, и впредь именовать миллиардную долю метра нанометром. Члены комитета решили также писать одно «н», исходя из правила, по которому множителям единиц, больших метра, присваиваются греческие приставки, а если единица меньше метра, то множитель обозначается латинской приставкой. Так, префикс для множителя 1000, «кило», происходит от греческого «хили» (тысяча), а для тысячной — 10-3, «милли» — от латинского «миллесимус» (тысячная). В 1950-е годы были изобретены и другие приставки, произведенные от других корней: «гига» (109) — от греческого «гигас» (великан), «тера» (1012) — от греческого «террас» (чудо, чудовище). Следуя той же логике, международные законодатели предпочли латинский корень «нанус» (карлик) греческому «наннос» для префикса-множителя одной миллиардной. Кроме того, в ходу также «микро» (10-6) — производное от греческого «микрос» (маленький), а «пико» (10-12) — и вовсе от итальянского «пикколо» (маленький).