Понимание структуры вещества всегда было заветной целью естествоиспытателей. Ученые тем или иным способом пытались выяснить структуру чугуна и булата, атомного ядра и полупроводников, ДНК и живой клетки. И когда им удавалось понять, «что у зайчика внутри» и какие микроскопические закономерности управляют макроскопическими свойствами, происходили прорывы в технологиях, открывались богатые источники энергии, рождались новые отрасли производства, появлялись удивительные приборы.
Оптический и электронный микроскопы, рентгеновские аппараты и спектрографы, синхрофазотроны и компьютерные томографы, сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы – это лишь часть инструментальных вех, оставленных учеными и инженерами на пути в глубины мира. Любой из этих приборов заслуживает отдельного внимания, но сегодня речь пойдет о самых новых – сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ), позволяющих в прямом смысле слова видеть и трогать отдельные атомы.
Радиусы наноиглы
Согласно квантовой механике и принципу неопределенности Гейзенберга одновременное измерение координат и скорости объекта с любой точностью невозможно. Из соотношения неопределенности следует, что для характерных энергий межатомного взаимодействия область местонахождения электрона совпадает с размером атома. Однако атомы, как известно, состоят не только из легких электронов, но и из массивных протонов и нейтронов, образующих их ядро. Сами атомы в десятки тысяч раз тяжелее электронов, и их положение в пространстве гораздо более определенно, чем у роящихся вокруг них внешних электронов. Благодаря большой массе атомов менее заметными становятся и их тепловые колебания, мешающие точному измерению их местоположения. Наш мир устроен так, что не только видимая глазом форма окружающих нас тел остается неизменной день ото дня, но и положение каждого конкретного атома в теле сохраняется очень долго.
Световые волны, рентгеновские лучи и пучки электронов идеально подходят на роль исследователей структуры вещества именно благодаря мягкости своего воздействия на атомы. Однако эти методы зондирования, как правило, работают с группой атомов и позволяют понять ее структуру только при наличии большого упорядоченного куска кристаллической решетки.
Знаменитая двойная спираль ДНК была разгадана более полувека назад, после того, как удалось получить достоверные рентгенограммы закристаллизованной, то есть жестко упорядоченной, молекулы жизни. Отдельные атомы и структуру их электронных облаков ученые увидели еще в 1955 году с помощью ионного микроскопа Эрвина Мюллера, позволившего спроецировать кончик тончайшей металлической иглы на огромный фосфоресцирующий экран. Но эта замечательная конструкция ни в коей мере не была универсальным прибором, позволяющим исследовать любые материалы с субмикронным разрешением.
