Нанонауки. Невидимая революция

Сканирование производится при поддержании постоянной силы туннельного тока: игла поднимается над бугорками и опускается над впадинами сканируемой поверхности. Но если экспериментаторы рассчитывали обнаружить на обследуемой «гладкой» площадке своего образца правильную череду ступенек, то линии развертки, полученные осенью 1982 года, показали вереницу бугорков. Профиль, зарегистрированный прибором, отобразил точную атомную топографию просканированного кристалла! Так родился туннельный микроскоп, создатели которого в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике.

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: «septi`eme-centim`etre», 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» (10 ⁹) — от греческого «гигас» (великан), «тера» (10 ¹²) — 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).

Эта путаница между греческим карликом с двумя «н», о котором вспомнил Ломан, и латинским карликом с одним «н» Международного комитета мер и весов породила немало недоразумений. В 1950-е годы заседал как-то Консультативный комитет по научной терминологии при Французской академии наук. Жорж Дефландр, бывший тогда директором лаборатории микропалеонтологии Практической школы высших исследований* (L’'Ecole pratique des hautes 'etudes), захотел выяснить мнение комитета касательно двух «н» в своевольно введенном в 1959 году термине «наннофоссил» (ископаемые небольшого размера): словечко придумали, имея в виду уже существующий «наннопланктон» и подобные ему обозначения. Декану медицинского факультета в Монпелье Гастону Жирару поручили провести необходимые этимологические разыскания, и он, поразмыслив, сделал заключение, что оба написания корректны. В конечном счете Консультативный комитет постановил: удвоение буквы «н» в префиксе определяется научной областью, использующей термин с этой приставкой. Так, «палеонтология и микропалеонтология вправе писать приставку с двумя „н“, тогда как физика (в частности, метрология), медицина и физиология ограничиваются написанием одного „н“».

Но и это официально закрепленное разделение между «нано» и «нанно» не устранило двусмысленностей, возникающих из-за того, что «нано» понимается и просто как еще одно слово для чего-то немыслимо малого, и как точный научный термин со значением «одна миллиардная». Наоборот, неразберихи возникло еще больше. И она стала как бы узаконенной. Спору нет, откуда заседавшие тогда в Консультативном комитете знали, что прогресс физики, технологии и химии толкнет исследователей в направлении наномасштабов, а толки на этот счет привлекут внимание к злополучной приставке самой широкой публики. Сейчас не то, и даже вид красочных картинок конца 1950-х годов с атомами и молекулами теперь скорее удивляет. А надо бы не дивиться, а тревожиться: спрос на научно-фантастическое чтиво упал, не говоря о научной или хотя бы научно-популярной литературе. Но не так давно едва ли не все очень внимательно следили за успехами науки, нетерпеливо дожидаясь от нее новых чудес и радуясь покорению Луны, особенно полетам пилотируемых «Аполлонов». Парадоксально: полет «Аполлона» на Луну не состоялся бы, не будь миниатюризации электронных устройств и деталей, без знаменитых интегральных схем. Но время наномасштабов, миниатюризации до нанометра еще не пришло…

Однако уже в начале 1960-х физики научились чертить на поверхностях различных материалов царапины шириной в 100 нм. Этим достижениям, конечно, было далеко до высоких результатов метаболизма (обмена веществ) в живых организмах. Многих физиков завораживали молекулярные процессы, которые казались образцом, по которому стоило бы строить самые совершенные машины. Открытие структуры ДНК в 1953 году породило надежды на возможность накопления больших объемов информации, умещающихся в небольшом количестве атомов. Со своей стороны, биологи-молекулярщики тоже подражали «чужим манерам», заимствуя идеи у технологии и кибернетики, после чего пытались истолковать функционирование генетики, уподобляя ее какому-то машинному механизму. Макромолекула — объект, что и говорить, немыслимо маленький, невидимый не только невооруженным глазом, но и в оптический микроскоп, иначе говоря, нанообъект в своем роде. И эта же молекула содержит тысячи атомов — и она по размеру много больше, чем нанометр. Чересчур она велика для нашей крошки «нано» — той, что с одним «н». К концу 1970-х прижился новый термин — «мезоскопическая физика», подразумевавший изучение физики объектов величиной с макромолекулу, то есть укладывающихся в пределы 10-100 нм. В 1974 году химик Ави Авирам, работавший тогда в исследовательских лабораториях IBMпод Нью-Йорком, вообразил молекулярный диод, то есть электронную деталь, проводящую ток только в одном направлении. И этот компонент должен был состоять только из одной молекулы, масса которой не превышала бы массу белка! Так что вслед за молекулярной биологией, мезоскопическая физика и молекулярная электроника тоже, и столь же неудержимо, устремились в мир «на дне». Между тем ни одну из соперничающих приставок — ни «нанно», ни «нано» — не вспоминали тогда на научных конференциях и семинарах. Возвращение приставки на публичную арену датируется 1974 годом, а произошло это в Японии. Так история «нано» началась в третий раз.