Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий
Шрифт:
Поэтому в просвечивающей электронной микроскопии часто используют косвенный метод исследования. Для этого получают так называемую реплику – тонкий слепок с поверхности изучаемого объекта. Это напоминает процесс получения гипсовых масок или слепков, используемый в других областях человеческой деятельности. Для изготовления, например, углеродных реплик в вакуумированной камере испаряют углерод с угольных стержней, нагретых пропусканием электрического тока, пары углерода конденсируют на поверхность изучаемого объекта, а затем аккуратно отделяют полученную пленку. Толщина такой пленки составляет около десяти нанометров, ее получение само по себе служит воплощением нанотехнологий. Методика эта стала для исследователей настолько привычной, что они зачастую забывают об этом упомянуть, когда демонстрируют полученные фотографии, полагая, что слушателям это и так понятно. Понятно бывает не всем, и это приводит к разного рода недоразумениям.
Необходимо
Альтернативу методу просвечивающей электронной микроскопии стали искать сразу. Можно даже сказать, что исследования проходили параллельно и независимо, ведь главным тут было использование электронных пучков для получения изображения, а эта идея была довольно очевидной. Один из таких методов был разработан в конце 1930-х – начале 1940-х годов и получил название растровой электронной микроскопии. Массовое производство соответствующих приборов для научных исследований началось в 1960-х годах.
Принципиальное отличие растровой микроскопии от просвечивающей состоит в том, что регистрируют не прошедшие через образец, а отраженные под определенным углом электроны. (Кроме собственно отраженных электронов регистрируют еще вторичные электроны, “выбитые” из атомов анализируемого объекта, а также рентгеновское и другое излучение, порожденное взаимодействием высокоэнергетических электронов с веществом, – это дает много дополнительной информации об изучаемом объекте.)
Тонкий сфокусированный электронный пучок диаметром в несколько нанометров используют в качестве зонда , которым сканируют поверхность объекта, совершая возвратно-поступательные движения по линии или развертывая движение в растр – совокупность близкорасположенных параллельных линий, по которым пучок электронов обегает выбранный для исследования участок поверхности. Последнее что-то напоминает, не так ли? Действительно, аналогичный принцип заложен в конструкции электронно-лучевых трубок старых телевизоров. В этом нет ничего удивительного, ведь оба устройства изобрел один и тот же человек – Владимир Козьмич Зворыкин [60] (1888–1982).
60
В.К. Зворыкин– человек замечательный и жизнь прожил удивительно интересную, не говоря уж о сделанных им изобретениях. Будь в этой книге глава, посвященная телевидению, Зворыкин был бы в ней главным персонажем. Рассказывать же о нем вкратце и между прочим просто не хочется, из большого уважения. Так что как-нибудь в следующий раз, не обессудьте.
Пространственное разрешение растрового (сканирующего) электронного микроскопа зависит в первую очередь от диаметра электронного пучка. Лучшие современные приборы обеспечивают разрешение порядка десятых долей нанометра, что вплотную приближается к размеру атомов. В целом разрешение сканирующих электронных микроскопов хуже, чем у просвечивающих. Но у них есть и свои достоинства: визуализация сравнительно большой области образца, возможность прямого исследования массивных образцов, а не только тонких пленок, а также большая резкость изображения, позволяющая получать “объемные” изображения. При этом желательно присутствие тяжелых атомов с высоким коэффициентом эмиссии вторичных электронов, которые обеспечивают наилучшее изображение. Поэтому перед исследованием на образец часто наносят тонкую (15–20 нм) однородную пленку металла, предпочтительно золота. Это делается путем вакуумного испарения или ионного распыления. Об этом, кстати, тоже забывают сказать, но зато фотографии получаются замечательные, особенно разных микроскопических живых существ.В те же 30-е годы прошлого века Эрвин Мюллер изобрел еще один микроскоп – полевой эмиссионный, или автоэлектронный.Эрвин Мюллер родился в 1911 году в Берлине, там же окончил Технический университет, в 1936 году защитил диссертацию по физике. Работал Мюллер в исследовательской лаборатории компании “Siemens” еще до прихода туда Руски. И принцип действия разработанного им микроскопа был совершенно иным, чем у Руски. Мюллер предположил, что если взять металлическую (электропроводящую) иглу и подать на нее большой отрицательный потенциал, то с кончика иглы будут эмитироваться электроны, которые полетят к положительно заряженной пластинке, покрытой люминесцирующим составом, и воспроизведут на ней увеличенное изображение кончика иглы вплоть до атомарного уровня. Если кто и мечтал увидеть атом воочию, так это Эрвин Мюллер, он на это жизнь положил.
Уже первый вариант микроскопа, созданный Мюллером в 1936 году, обеспечивал разрешение в два нанометра. Это было лучше параметров просвечивающего микроскопа Руски, но Мюллер был недоволен: получить изображение атомов не удавалось.
Он продолжал упорно работать над совершенствованием своего прибора, но тут в дело вмешалась война. После ее окончания Мюллер, как и Руска, оказался в Западном Берлине, где проводил свои исследования в Институте физической химии и электрохимии, одновременно преподавая в Техническом университете. И тут на помощь Мюллеру пришел случай, вернее, две досадные случайности. В высоковакуумную установку по недосмотру попало небольшое количество водорода, а сам исследователь ненароком поменял полярность напряжения между иглой и пластинкой. Пучок заряженных частиц состоял теперь не из электронов, а из положительно заряженных ионов водорода (протонов), и под их действием на пластинке появилось изображение кончика иглы с куда лучшим разрешением, чем в случае электронов. Так был создан ионный полевой микроскоп. С его помощью Мюллер впервые разглядел небольшие молекулы, но ему этого было мало.
Позже Мюллер заменил водород на гелий и неон. Как образуются ионы в случае инертных газов? Мюллер полагал, что атомы инертных газов предварительно адсорбируются на поверхности иглы. Но впоследствии оказалось, что адсорбция здесь ни при чем и при высоком положительном потенциале иглы электрон с внешней электронной оболочки атома инертного газа туннелирует через вакуум к поверхности металлического образца.
Выяснилось это уже в США, куда Мюллер эмигрировал в 1952 году. В Пенсильванском университете Мюллер вместе со своими студентами и аспирантами занимался усовершенствованием нового микроскопа. Для получения качественных изображений они стали использовать сверхнизкие температуры, но чувствительности все равно не хватало. Оказалось, что корень проблем был в предварительной подготовке иглы. Традиционно все твердые поверхности перед проведением физических исследований очищают от адсорбированных примесей нагреванием в глубоком вакууме. Но при этом все острые выступы оплавляются, то же происходило и с кончиком иглы. Аспирант Мюллера Канвар Баадур предложил новый способ очистки иглы, и дело пошло на лад.
11 октября 1955 года Баадур поместил в установку вольфрамовую иглу и получил на флуоресцентном экране первое в истории изображение атома, находившегося на самом кончике иглы. Очевидцы потом вспоминали, что у присутствовавшего при эксперименте Мюллера от волнения из головы вылетели все английские слова и он начал кричать по-немецки: “Я вижу атом! Да, атом!” Его мечта сбылась.
Бывшие сотрудники Мюллера вспоминали, что все они с момента получения первого изображения атома жили в ожидании, когда же шефу присудят Нобелевскую премию по физике. Но этого так и не произошло. Отчасти это связано, на мой взгляд, с настороженным отношением научного сообщества к немецким ученым, работавшим в Германии во время Второй мировой войны, – а ну как они занимались военными разработками. Подозрения эти имели под собой основания, и кому как не ученым из стран-победительниц было это знать – они сами во время войны именно этим и занимались. Должно было пройти много времени, чтобы затянулись раны войны. Руске в этом смысле повезло больше: он дожил до своей Нобелевской премии. Мюллер не дожил. Он скончался в 1977 году.
Заметим также, что сообщение Мюллера о получении изображения атома было встречено научным сообществом с изрядным скепсисом. Нет, против самой “картинки” никто не протестовал, она была принята как экспериментальный факт. Возражали против ее интерпретации. Фотография представляла собой довольно сложный симметричный узор, в центре которого располагался небольшой круг. Мюллер увидел в нем атом, то, что давно мечтал увидеть. У коллег, не разделявших его маниакальной страсти, были на этот счет другие мнения.
Более того, сообщение Мюллера возродило в среде физиков-теоретиков давний спор о том, можно ли вообще увидеть атом. Ведь электроны в атоме подчиняются законам квантовой механики и определить их точное местоположение невозможно. Атом – это зыбкое нечто, не имеющее четких границ, необходимых для формирования любого изображения. Отсюда следовал куда более глобальный вывод, что и манипулировать атомами, как частицами твердого тела, тоже невозможно. В 1959 году по этому поводу высказался гуру теоретической физики Ричард Фейнман (1918–1988): “Законы физики, насколько я их понимаю, не запрещают манипулирование атомами”. Это было “ощущение”, не подкрепленное никакими математическими выкладками, на которые горазды квантовые механики. Но уже в то время физики поняли, что ощущениям этого неординарного ума можно доверять, так что споры постепенно ушли в песок, так ничем и не разрешившись. Дело было отдано на откуп экспериментаторам.