Наномир как новая визуальная реальность

На протяжении тысячелетий человеческий глаз видел окружающие предметы, размеры которых были больше 1 мм. В начале XVI века появились первые микроскопы. В числе изобретателей их различных вариантов были отец и сын Янсены, Корнелиус Дреббель, Галилео Галилей, Кристиан Гюйгенс, Роберт Гук. Но только Антони Ван Левенгук привлек к своей модификации микроскопа внимание биологов, и человечество увидело новый микромир.


20 сентября 1979 года Г. Бинниг и Г. Рорер зарегистрировали в Швейцарии заявку на сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). В 1986 году был изготовлен первый атомно-силовой микроскоп (АСМ). Оба прибора, их теперь называют сканирующими зондовыми микроскопами (СЗМ), позволили не только «увидеть» материю на уровне отдельных атомов, но и переносить атомы с одного объекта на другой и даже двигать. Многие связывают начало эры нанотехнологии с созданием этих приборов. В СТМ иголка движется над объектом. Между ними создают разность потенциалов. Если под иголкой бугорок (атом) объекта, то ток между ними большой. Если ямка (межатомное расстояние) – ток маленький. Но для этого иголка и объект должны быть изготовлены из проводника. А если хочется посмотреть бугорки на изоляторе, то используют АСМ, в нем иголку закрепляют на плоской пружинке, которая может изгибаться, и тоже двигают ее над объектом. Над бугорком она поднимается, над ямкой опускается. На пружинке закреплено зеркало, на него светят лазерным лучом, зеркало его отклоняет, и по этому отклонению судят – бугорок (атом) или ямка («пустота») находится под кончиком иглы. В это трудно поверить. Когда появились первые изображения атомов, многие ученые и не поверили. А те, кто поверили, стали делать такие микроскопы и их продавать. Справедливости ради надо заметить, что к моменту создания зондовой микроскопии уже существовала высоковольтная электронная микроскопия, и она тоже «видела» наномир (см., например, [1]), но из-за сложности использования у нее все-таки ограниченная область применения. Конечно, зондовые микроскопы в первую очередь нужны для научных работ и расширяют границы познаваемого мира, но и просто увидеть, как устроен наномир – тоже очень интересно. Я знаю многих людей, которые пришли в сканирующую зондовую микроскопию после того, как они увидели изображения атомов. Так как эта книга посвящена необычным изобретениям, то вполне уместно ее завершить необычными картинами наномира, выполненными на необычных приборах (рис. 12.1–12.8 цв. вклейки). Многие представленные изображения цветные, хотя существует ли там цвет – большой вопрос.
Как мы уже отметили, получение изображения поверхности объекта на сканирующем зондовом микроскопе не является самоцелью, оно необходимо для более углубленных исследовании этого объекта. Для этого можно использовать методы цифровой обработки изображений. Эти методы позволяют находить более точные геометрические характеристики частиц, расположенных на поверхности, таких как: нанокластеры, микрокристаллиты, частицы коллоидной природы: вирусы, микробы, клеточные органеллы и т. п. Сущность одного из таких методов заключается в том, что при измерении параметров конкретной частицы исключают влияние соседних частиц на процесс измерения. Благодаря этому параметры измеряемой частицы оказываются ближе к истинным значениям.
Но, помимо простой визуализации изображений, СЗМ способен воздействовать на материю на атомарном уровне. В 1989 году ученые из IBM Д. Эйглер и Э. Швейцер выложили из 35 атомов ксенона название своей корпорации. По сути, это достижение подтвердило тезис, что эра нанотехнологии началась с создания СЗМ, без которого немыслимо проникновение вглубь материи и развитие многих отраслей науки.