Важнейшим из чувств для человека стало зрение. Не зря говорят, что любой объект или процесс лучше один раз разглядеть, чем сто раз о нем или его услышать. Между тем человеческие органы слуха обладают значительно большим разрешением, чем глаза.
Мы ощущаем вибрацию барабанной перепонки с амплитудой в несколько нанометров, в то время как зрением способны различить два штриха, расположенных на расстоянии в ОД мм, что в нанометрах составит целых 100 тыс.
Природа как будто специально дала нам эталон главного чувства в самых больших количествах. Когда про что-то говорят, что его очень много, обычно сравнивают с количеством волос на голове. Толщина одного волоса составляет величину от 30 до 80 микрон, т.е. от 0,03 до 0,08 мм.
Все, что меньше или тоньше, долго представляло для человека сокровенную тайну, к познанию которой он стремился всю свою историю. Одним из главных инструментов такого познания стали приборы, позволяющие исправить недостатки нашего зрения, сделать его острее, точнее, позволить ему проникнуть в глубину вещей и процессов.
Еще в Древнем Египте люди научились шлифовать драгоценные камни, чтобы через них разглядывать различные занимательные мелочи. Постепенно мастерство оптиков совершенствовалось, и уже в конце XVII в. голландский натуралист Антони ван Левенгук, считающийся родоначальником микробиологии, разглядел в простейший микроскоп всего с одной, но очень хорошей линзой клетки крови, первые бактерии, споры грибов и сперматозоиды.
Открытия эти были столь неожиданными, что научное сообщество далеко не сразу в них поверило. Только после того, как Левенгук позволил припасть к своему прибору экспертам, специально присланным Лондонским королевским обществом, чудо невидимой жизни было признано реальностью.
И микроскоп стал не только важнейшим научным прибором, но и, пожалуй, одной из наиболее модных в обществе игрушек. Люди разделились по отношению к оптическим приборам на два лагеря. Одни смотрели в большие телескопы и изучали космический макромир, другие же, вооружившись микроскопами, изучали мир хоть и крошечный, но значительно более важный и близкий для человека. Качество и сложность микроскопов постоянно росли, и к середине XIX в. в них уже можно было разглядывать объекты в сто раз тоньше волоса. Однако дальше дело не пошло. Оптики натыкались на какую-то преграду, следом за стократным увеличением следовала темнота. Пустота, ничто, словно бы это была граница, за которой ничего сущего уже не существовало. Но это было неверно. В 1878 г. проблему «пропадавшего изображения« удалось объяснить немецкому физику-оптику Эрнсту Карлу Аббе. Работая над теорией образования изображения в микроскопе, он понял, что сели рассматривать свет как волну, то разглядеть можно будет только те предметы, которые больше длины такой волны. Если же они будут меньше, свет будет просто огибать предмет, как будто его и нет на пути.
Такая мысль была сразу принята ученым миром. Минимальная длина волны видимого света составляла 3 х 10 7 м, это и был тот минимальный размер, который должен был иметь объект для того, чтобы его можно было рассмотреть.
Но не все исследователи свыкнись с мыслью о том, что за этой величиной ничего уже не увидишь. В 1930-х гг. немецкий физик Эрнст Август Руска решил заменить световые волны волнами покороче. Уже в 1931 г. он продемонстрировал общественности первый электронный просвечивающий микроскоп. Вместо светового луча ученый использовал поток электронов, который фокусировали два соленоида.
Пройдя через магнитные линзы и через исследуемый образец, электронный пучок попадал на люминесцентный экран, подобный тем, что сейчас используются в электронно-лучевых трубках телевизоров и осциллографов, отображая светящееся увеличенное изображение просвеченного образца. Первая модель была слабой, 400-кратной, но она показывала принципиальную возможность предложенного Руской способа.
Уже спустя два года он построил новый прибор, разрешение которого составляло уже 500 ангстрем, что было в пять раз лучше, чем у самого мощного и совершенного оптического микроскопа. А в 1939 г. компания Siemens, в которой ученый занимал должность инженера-электрика, выпустила на рынок первый серийный электронный микроскоп, в который можно было увидеть объекты величиной 100 ангстрем (1 ангстрем = 0,1 нм — примерно диаметр атома водорода).
Постепенно электронный микроскоп становился совершенным, мощным и вес более зорким. В него можно было уже рассмотреть не только молекулы, но даже крупные атомы. Предел разрешения прибора достиг 0,17 нм. что давало возможность различить отдельные атомы в кристаллах. Но, во-первых, неугомонным ученым и этого было мало, во- вторых, изображение, которое давал электронный микроскоп, было плоским. А хотелось объема. Кроме того, специалистам уже мечталось не просто разглядывать атомы и молекулы, но и двигать ими.
Профессор МГУ им. М.В. Ломоносова, одновременно — директор одной из немногих российских компаний, производящих сканирующие зондовые микроскопы, ООО НПП «Центр перспективных технологий» Игорь Владимирович Яминский говорит, что первым нанотехнологом или по крайней мере микротехнологом следует считать знаменитого инженера и изобретателя Томаса Эдисона: «Зондовая микроскопия могла появиться на 100 лет раньше.
В ноябре 1877 г. Эдисон представил свой граммофонный фонограф. В нем иголочка скользит по поверхности воскового валика, повторяя рельеф поверхности. Иголочка связана с мембраной в рупоре и начинает вибрировать, повинуясь рельефу поверхности, по которой движется и, по сути, ее сканирует. Вибрация передается на мембрану, получается звук, и мы слышим музыку.
Если мы станем говорить в рупор, то мембрана начнет вибрировать, вибрация передастся на иголку, и если мы поставим чистый валик, то она запишет на него профиль соответствующих колебаний мембраны. Такой пример нанолитографии был реализован еще в 1877 г. Точность или перепады высоты при таком методе существенно меньше микрона.
Граммофонные проигрыватели также дают звук с субмикронной точностью. Если бы упорный Эдисон в свое время поставил перед собой задачу работать на уровне атомов и молекул, возможно, он решил бы и эту проблему.
Однако в конце XIX в. перед изобретателями и учеными стояло еще много других задач. Поэтому первый сканирующий электронный микроскоп был создан лишь 30 лет назад, в 1981 г. Честь его создания по праву принадлежит физикам Герду Карлу Биннигу (Германия) и Хайнриху Рореру (Швейцария).
В своей конструкции они использовали открытый уже давно квантовый эффект туннелирования, когда электроны просто «перескакивают» с одной поверхности на другую, достаточно близко расположенную, причем интенсивность «перескакивания» экспоненциально затухает при изменении расстояния между поверхностями.
В созданном физиками приборе к исследуемому объекту подводилась на расстояние примерно 1 им тончайшая игла-зонд, острие которой в идеале должно было состоять из одного атома. Электроны начинали туннелировать с объекта на зонд (или с зонда на объект, в зависимости от полярности напряжения), и между ними возникал электрический ток, по силе которого можно было судить о точном расстоянии от иглы до поверхности.
Зонд при помощи пьезоэлектрических элементов, изменявших свою длину под действием подаваемого на них напряжения с точностью до десятых долей нанометра, перемещался над поверхностью и шаг за шагом сканировал вес ее неровности и шероховатости. В результате регистрации положения иглы исследователи получали полный профиль поверхности образца с разрешением в несколько ангстрем.
Причем в отличие от обычного оптического или электронного микроскопа такой профиль был уже трехмерным, объемным. В соответствии с эффектом авторы назвали свое изобретение сканирующим туннельным микроскопом — СТМ. На его разработку и испытание ушли 27 месяцев.
Для того чтобы устранить любую постороннюю вибрацию и прочие помехи, прибор подвешивался в магнитном поле и охлаждался жидким гелием, которого требовалось по 20 л в час, а в рабочей зоне создавался почти абсолютный вакуум.
Первые опубликованные учеными результаты были встречены научным сообществом примерно так же, как первые рисунки Левенгука. И только после того как в 1985 г. еще несколько лабораторий в разных странах мира их повторили и подтвердили, Биннигу и Рореру поверили и признали их микроскоп реально действующим инструментом.
Сейчас существуют два принципиально разных режима СТМ. В первом, игла-зонд перемещается над поверхностью в плоскости, только по двум координатам, а рельеф определяется по изменению тока. Достоинство метода заключается в простоте.
Однако он неприменим к поверхностям, на которых перепады высот достигают нескольких нанометров, т.к. в этом случае игла может либо наткнуться на выступ, либо, при большой глубине, может исчезнуть эффект туннелирования. В другом, более сложном варианте, игла движется уже по всем трем пространственным координатам. Аппаратура отслеживает величину туннельного тока и посредством обратной связи поддерживает ее постоянной, как и размер зазора. Рисунок профиля объекта получается из траектории движения иглы.
Однако у такого туннельного микроскопа есть серьезный недостаток: с его помощью можно изучать только электропроводящие объекты. Ни бактерию, ни вирус, ни молекулу ДНК в него не разглядишь. Справедливости ради следует заметить, что при очень низких значениях тока удалось увидеть в СТМ и вирус, и ДНК, но эти случаи — скорее исключение, чем правило.
В сканирующий микроскоп хорошо видны хорошо проводящие поверхности. Но, к счастью, уже в 1986 г. Бинниг предложил новую версию «увеличителя», которую назвал сканирующим атомно-силовым микроскопом (АСМ). Здесь в основу был положен уже не туннельный эффект, а силы межатомного взаимодействия, хорошо проявляющие себя на нано расстояниях.
В новом аппарате игла-зонд закреплялась не на жесткой основе, а на упругом подвесе — кантилевере, напоминающем головку звукоснимателя проигрывателя виниловых дисков, праотцом которого был фонограф Эдисона.
Перемещаясь в контакте с объектом, игла отслеживает рельеф поверхности. Такой прибор уже легко исследует любые объекты независимо от их электропроводности. Более того, для работы ему не нужны ни вакуум, ни низкие температуры, а сейсмические вибрации убираются простым пассивным фильтром.
Сегодня изобретатели сканирующих зондовых микроскопов говорят, что они разрабатывали свои устройства как наблюдательные, не думая об их использовании в качестве атомных и молекулярных манипуляторов.
Такая возможность возникла сама собой и была воспринята уже как полезное следствие, однако оно оказалось настолько важным, что чуть не затмило по важности первопричину. В процессе работы оказалось, что с помощью сканирующих микроскопов можно не только разглядывать объекты наномасштабов и наноразмеров, но и совершать самую настоящую наноработу: перемещать атомы и молекулы, составлять из них композиции, рисунки и собирать наноустройства. Довольно грубо процесс можно описать так.
Если подать на иглу напряжение несколько большее, чем требуется для обычного туннелирования, то на нее может перескочить не только электрон, но и целый атом или ион. Перенеся его в нужное место, оператор может сменить напряжение и «сбросить» атом с иглы на поверхность. 20 лет назад инженеры IBM прославились на весь мир тем, что выложили из атомов ксенона логотип своей компании. Тогда это был настоящий прорыв.
Теперь же таким чудом никого уже не удивишь, и сам сканирующий микроскоп из роскоши давно превратился в средство продвижения нанотехнологий. Эксперты считают, что уже через несколько лет в продаже могут появиться бытовые сканирующие зондовые микроскопы, предназначенные, например, для моментального медицинского анализа на аллергены конкретного продукта или для выявления патогенов. Эдисон, составляя список дел, в которых мог помочь
его фонограф, на первые три места поставил «диктовку и запись писем», «издание говорящих книг для слепых», «обучение ораторскому искусству», и лишь четвертым пунктом указал «запись музыки». И все это планы на будущее. Спрос на сканирующие микроскопы растет, подгоняя производство, а цена на них — падает. Двадцать лет назад стоимость хорошего сканирующего микроскопа составляла сотни тысяч долларов, а сейчас тот же «Центр перспективных технологий» производит вполне качественные микроскопы «ФемтоСкан», цена которых колеблется от одного до полутора миллионов рублей. При этом в компании говорят, что знают, как сделать прибор еще дешевле.
«ФсмтоСкан» интересен еще и тем, что им можно полностью управлять через Интернет, т.е. даже сегодня, когда цена опустилась по сравнению с первыми приборами в несколько раз, но, тем не менее, вес еще достаточно высока и доступна пока не для всех, прибор можно купить в складчину, один на несколько институтов или лабораторий, и работать на нем по очереди удаленно, из своего офиса или аудитории.
В центре производят и другие наноинструменты, подпадающие под инвестирование РОСНАНО, — такие, например, как оптические регистраторы или атомные весы, на которых можно взвешивать отдельные атомы и молекулы. Подобные приборы просто необходимы, если мы действительно хотим проникнуть в микро- и наномир так, чтобы и человеку было полезно, и природе не больно.
Успешное развитие нанотехнологий сулит нам самые немыслимые перспективы — от бессмертия, когда стареющие человеческие тела будут лечить миллионы медицинских нанороботов, до создания искусственной жизни. Если это удалось сделать одному нанотсхнологу — природе, то это должно получиться и у другого нанотехнолога — человека. Любое научное достижение признается за таковое только при условии повторяемости.
А она рано или поздно будет достигнута, в этом уже мало кто сомневается. Глаза и руки в наиомире у нас уже сеть, осталось только научиться полноценно ими пользоваться.
Материал подготовлен при поддержке https://microscope.one/