Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Все описанные в этой главе устройства были предназначены и используются для исследования строения различных материалов и объектов. Никто не предполагал, что когда-нибудь они станут инструментами созидания – создания новых структур, материалов, объектов, тем более путем физического манипулирования атомами и молекулами. Открыли это случайно. Сделал это Дональд Эйглер, последний герой нашей истории.

Они были чем-то похожи – Дон Эйглер и Герд Бинниг времен начала своей блистательной научной карьеры. В середине 1980-х годов Эйглеру было уже за тридцать и он тянул лямку в исследовательской лаборатории IBM в Калифорнии, занимаясь на досуге дрессировкой служебных собак, в чем он впоследствии достиг истинного профессионализма и прославился на всю Америку. К тому времени Бинниг уже изобрел сканирующий туннельный микроскоп, а потом и сам объявился в Калифорнии, что, естественно, интенсифицировало исследования по применению нового метода.

Сканирующий туннельный микроскоп был предназначен для исследования поверхности металлов и других проводников, а любая поверхность, как мы помним, обладает свойством адсорбировать разные вещества из окружающей среды. Свойством зачастую неприятным, особенно с точки зрения микроэлектронщиков, которые жаждали узнать, как ведут себя адсорбированные молекулы и нельзя ли как-нибудь если не побороть, то хотя бы уменьшить это зло. С другой стороны, адсорбированные молекулы могли оказаться и полезными. С третьей – почему бы не замахнуться на получение фотографии единичной молекулы с атомарным разрешением. Еще недавно это казалось фантастикой, но если посадить молекулу на поверхность металла, то почему нет? Так что применение сканирующего электронного микроскопа для изучения адсорбированных молекул было вполне естественным шагом, тут не было места случайности.

Эйглер занимался изучением взаимодействия атомов инертного газа ксенона с поверхностью металлов. Дело было гиблым. Это Мюллеру и Биннигу было хорошо, они получали изображение атомов, входящих в состав кристаллической решетки образца и потому неподвижных, а адсорбированные атомы ксенона смещались при малейшем толчке, при нечувствительной вибрации, и вообще атомы склонны ползать по поверхности вследствие теплового движения.

Да и сами сканирующие туннельные микроскопы были, конечно, высшим на тот момент достижением технической мысли, но, с другой стороны, техникой “сырой” и далекой от совершенства. Вот ее совершенствованием применительно к своей задаче и занялся Эйглер, особенно напирая на виброизоляцию и термостатирование.

На доводку прибора ушло три года напряженного труда. Каково же было разочарование Эйглера, когда даже на созданном им “идеальном” приборе он не смог получить стабильной картинки, одно изображение переходило в другое. И дело тут было не в самопроизвольном перемещении атомов – дрожала проклятая иголка! Но в одну прекрасную ночь, когда вокруг не было топающих и разговаривающих коллег, а по улицам не ездили автомобили, Эйглер вдруг заметил, что перемещение атомов на картинке совпадает с направлением отклонения иглы. После этого озарения потребовались считаные часы, чтобы выяснить, как можно управлять перемещением атомов, варьируя удаление кончика иглы от поверхности, подаваемое напряжение и величину туннельного тока.

Оказалось, что лучшее изображение атома ксенона получается, если иголка находится на расстоянии чуть большем 0,2 нм от атома, что приблизительно соответствует размеру самого атома. Если же это расстояние становится меньшим, то игла вступает во взаимодействие с атомом, одновременно ослабляя его взаимодействие с поверхностью. “Зацепив” таким образом атом и поддерживая постоянным оптимальный промежуток, атом можно перетащить на некоторое расстояние и поставить в определенное место.

Эйглер завершил свои ночные штудии созданием композиции из 35 атомов ксенона на поверхности кристалла никеля, восславив в ней название фирмы, которая три года терпеливо ждала результатов его изысканий, – IBM.

Эта фотография была опубликована в 1989 году, но вплоть до середины 1990-х годов никто не мог воспроизвести результаты Эйглера по той простой причине, что ни в одной лаборатории мира не было столь совершенного прибора. Лишь с развитием техники сканирующих зондовых микроскопов исследования в этой области посыпались как из рога изобилия. Исследователи научились манипулировать не только отдельными атомами, но и молекулами, что в большинстве случаев даже сложнее из-за их более прочного связывания с поверхностью.