Крылатая ракета летит над молекулой

(Рассказ о сканирующем зондовом микроскопе,
который увидел, измерил, передвинул и изменил отдельный атом)

В 2001 г. исполнилось 20 лет с тех пор, когда Герд Биннинг и Хайнрих Рорер из швейцарского отделения Исследовательского центра фирмы IBM создали сканирующий туннельный микроскоп, который стал родоначальником нового семейства приборов для изучения свойств и структуры веществ на уровне отдельных атомов и молекул. Через пять лет за это открытие ученым была вручена Нобелевская премия по физике. Вскоре появились другие разновидности прибора, среди которых в первую очередь следует выделить атомно-силовой (или сканирующий силовой) микроскоп, позволяющий работать с наиболее широким классом веществ. Важный вклад в развитие зондовой сканирующей микроскопии внесли российские ученые. Среди них видное место принадлежит Игорю Владимировичу Яминскому из Центра перспективных технологий при МГУ им. М.В. Ломоносова.

Игорь Владимирович рассказал нам о широких возможностях и перспективах зондовых сканирующих микроскопов, о том, в какой области именно России можно добиться приоритетов, и почему молодым ученым, ищущим свое место в науке, стоит обратить внимание на эту бурно развивающуюся область исследований. Принцип работы сканирующего зондового микроскопа совсем не сложен. Имеется зонд — тоненькая игла из металлического сплава (как правило, платино-иридиевого), — в случае туннельного микроскопа, либо кварцевая (или алмазная) головка — в случае атомно-силового микроскопа. Зонд укреплен на консоли и движется вдоль образца — сканирует профиль его поверхности. В туннельном микроскопе используется эффект туннелирования электронов между иглой и поверхностью образца, сближенных до расстояния порядка десятка нанометров (нм). В силовом микроскопе зонд, укрепленный на мягкой подвеске, приводится в механический контакт с поверхностью. Специальная программа преобразует сигнал, снимаемый с зонда, в увеличенное изображение образца, выведенное на монитор компьютера. По принципу действия система напоминает проигрыватель грампластинок или… крылатую ракету, летящую вблизи земной поверхности.

—Игла микроскопа действительно летит как крылатая ракета, — пояснил Игорь Владимирович, — принцип тот же самый. Рассмотрим обычную крылатую ракету. Предположим, она летит на высоте сто метров от земли. Она должна отслеживать профиль поверхности. Если она встречает холмик — она поднимается, в низине — опускается. Частный спектр снятия сигнала определяется килогерцами. В микроскопе получается та же самая крылатая ракета, только область, в которой она сканирует меньше и высота, на которой она движется, гораздо ниже. Но в принципе, с точки зрения радиотехники, используются те же самые микросхемы и процессоры.

—Наверное, здесь пригодились разработки оборонных предприятий?

—Самый первый сканирующий микроскоп родился в результате конверсии. Когда рассекретили крылатые ракеты, их процессоры и программное обеспечение стали применять в мирных целях. Один из таких процессоров применили для туннельного и атомно-силового микроскопов. То есть, снимается некоторый сигнал: в туннельном микроскопе — это величина тока. Если ток стал больше, надо иглу чуть-чуть отодвинуть от поверхности. Ток стал меньше — ее надо приблизить. Это автоматическая система, в которой использовались новые цифровые специализированные процессоры для обработки аналоговых сигналов Можно было обойтись аналоговой электроникой, но в этом случае система была бы не такой гибкой. А нужно сделать гибкую адаптированную настраиваемую обратную связь. Когда мы в нашей лаборатории строили свой микроскоп, то использовали именно такой процессор. В него идет входной сигнал, поступающий от иглы, а выходной генерирует сам процессор. В процессоре “зашит” алгоритм, определяющий, как из входного сигнала сделать выходной.

—Расскажите немного о принципе сканирования.

—В туннельном микроскопе происходит туннелирование электронов через разрыв цепи толщиной порядка десяти нанометров, образуемый между иглой и поверхностью образца, который должен быть электропроводящим. А атомно-силовой микроскоп — это просто профилометр. Здесь образец может быть как проводником, так и диэлектриком. У вас есть острая игла и вы ее ведете в контакте с поверхностью.

—Выходит, что принцип атомно-силового микроскопа примерно такой же как у проигрыватель грампластинок? Есть какая-то игла, которая перемещается относительно некоторой поверхности и в зависимости от ее профиля формируется полезный сигнал.

—В качестве датчика перемещений можно использовать также оптическую систему. Луч лазера падает на поверхность, а отраженный луч гуляет вверх-вниз, в зависимости от профиля.

— Игла в микроскопе очень тонка. Она не ломается?

—Игла имеет диаметр около микрона, а на конце она делается настолько острой, что в вершине помещается один атом, а в процессе сканирования ведется очень деликатно — так, чтобы прижимающая сила была порядка 10-10 Н. Очень мягкая подвеска. На этой подвеске в процессе сканирования игла бегает вверх-вниз по поверхности, но обязательно в контакте с ней. Возможны и бесконтактные методы, использующие лазерный луч или тепловой поток, но у них нет такой чувствительности. Атомную структуру и отдельные атомы видят только в контактной атомно-силовой микроскопии.

—А в туннельный — нет?

—В туннельный атомы видят еще лучше, но в туннельной микроскопии должны использоваться проводящие образцы. Однако, и здесь есть исключения. Например, алюминий, хотя он и проводник, непригоден, так как на нем в атмосфере образуется плотный окисел и электроны не могут через него туннелировать. Хорошее изображение дают не так много материалов. Если взять, например, графит, то в туннельный микроскоп с вероятностью 98 % вы увидите кристаллическую решетку на поверхности графита. То же самое — с помощью атомно-силового микроскопа. Если поставите слюду, в атомно-силовой микроскоп тоже увидите решетку. В туннельный микроскоп решетку в слюде увидеть нельзя — это изолятор. Но и здесь возможны хитрости. На слюду можно нанести тонкую пленку воды. Вода, хоть слабый, но проводник. За счет этой пленки туннельный микроскоп может работать и на слюде.

—Недавно была конференция по зондовой микроскопии в Вайнгартене (в Германии), — продолжал Игорь Владимирович, показывая фотографию абстрактной скульптуры, представляющую собой нечто вроде бревна, поставленного на торец и со срезанной наискось вершиной. — Когда я увидел там эту скульптуру, то понял, что это наглядное пособие того, под каким углом надо срезать платино-иридиевую проволоку для туннельного микроскопа.

—Под 45 градусов?

—Да, — при этом получается острая вершинка, которой и осуществляется сканирование поверхности. А первые иглы для атомно-силового микроскопа делались тоже достаточно просто. Брался алмазик или кварц, он разбивался молотком и получались песчинки. Грани песчинки в вершине сходятся на одном атоме. Трудно представить, чтобы кварц раскололся и у вас были бы закругленные края. Там обязательно в вершине сидит один атом. Они получаются абсолютно атомарно острыми. Далее такая песчинка приклеивалась на тоненькую консоль из золота. И эти иглы, так же как в проигрывателе с алмазной иглой, делались ручным образом. Это уже потом освоили технологию на основе кремния.

—Наверное, самое сложное — это как приготовить образец. Он должен быть очень качественным и максимально плоским, потому что игла может нарваться на микро-выступ, как если бы крылатая ракета врезалась в высокую скалу. Нужна прецизионная система ведения иглы — очень медленно, без рывков. Требуется использовать какой-то особый двигатель и специальную технологию приготовления образцов, потому что речь идет о нанометровых областях и перемещениях иглы.

 —Я с вами согласен, — ответил Яминский. — Казалось бы, трудности очень велики. Когда делали этот прибор, никто не ожидал, что он сможет так точно отслеживать поверхность. Считали, что предельная точность будет примерно 10 нм. А когда уже все сделали, неожиданно поняли, что точность, которую они достигли на два порядка лучше — доли ангстрема.

—То есть это 10-10 м и даже выше?

—Да. В принципе, как стали понимать потом, точность позиционирования образца — это не так сложно. Вы берете обычную пьезокерамику, которая используется в зажигалках или в будильнике часов. В часах эта керамика используется для создания звукового сигнала. Вы прикладываете напряжение определенной частоты, керамика дрожит и раздается звук.

—Кварц?

—Обычно используется не кварц, а специальная керамика, хотя кварц — это тоже пьезоэлектрик. Кварц неудобен тем, что он обеспечивает слишком малые перемещения. По аналогии с часами, из пьезокерамики можно сделать прецизионные манипуляторы — трубки, которые могут удлиняться и изгибаться.

—Какова амплитуда перемещения в часах?

—В часах может быть 20—30 микрон. В микроскопе перемещения тоже такого порядка. У нас перемещение в плоскости XY может быть до 150 микрон. Перемещение вверх-вниз (по оси Z) до 10 микрон.

—То есть в принципе можно извлечь из часов пьезокерамический звучащий элементик и использовать его в конструкции самодельного туннельного микроскопа?

—Один элементик обеспечивает перемещение только по одной оси, а нужно по трем осям. Поэтому требуется взять три таких элемента и расположить их взаимно перпендикулярно — каждый обеспечивает перемещение иглы по одной из трех пространственных осей. Два элемента отвечают за сканирование в плоскости, а третий — регулирует положение иглы над поверхностью: зазор между иглой и ближайшей точкой поверхности должен быть минимальным.

—Образцы, вероятно, могут быть самыми разнообразными?

—Вы можете взять любой образец и получить профиль его поверхности. Можно, например, изучать копейку, — посмотреть, насколько она шероховата, сравнить ее, ну, скажем, с пенсом. А можно изучать разные сорта бумаги. Известно, что бумага должна быть достаточно гладкой, чтобы карандаш не спотыкался на неровностях, но в то же время — достаточно шероховатой, чтобы грифель оставлял след. Можно изучать человеческий волос… В этом смысле образец — какой есть, такой и есть. Но чтобы получить какую-нибудь информацию, полезную, например, для микробиологов, образец нужно долго и тщательно готовить: выделять его, вычищать, правильно наносить на подложку. Это целое искусство, которое приходится осваивать всем, кто исследует вещество с помощью микроскопа.

Я подошел к лабораторному столу, на котором помещается всем хорошо знакомое устройство — обычный оптический микроскоп со стократным увеличением, служащий только для установки исследуемого образца на держатель. Вместо предметного столика — дюралевый стакан с устройством крепления образца и сканирующей зондовой системой, соединенной с системным блоком компьютера, стоящего поблизости. Игорь Владимирович объясняет:

—Дюралевый стакан с помощью шестеренчатого механизма может перемещаться вверх-вниз. Это сделано для грубой настройки. Дальнейшая тонкая настройка и сканирование осуществляются с помощью пьезокерамической трубки, на которую установлена игла. Трубка может изгибаться и двигаться вверх-вниз.

Яминский предложил мне заглянуть в оптический микроскоп, в который видно размещение образца и сканирующей головки. В поле зрения окуляра находился металлический V-образный держатель с иглой-зондом. Игла настолько тонка (диаметром порядка микрона), что в оптический микроскоп она практически не видна. Жесткость иглы — примерно 1 Н/м, так что при действии силы 10-9 Н она изогнется на 1 нанометр. Игорь Владимирович поясняет:
—Вы берете образец и сверху ставите колодку. Вначале осуществляете быстрый подвод иглы, наблюдая в оптический микроскоп, потом — плавная подводка осуществляется автоматически. За ней можно наблюдать визуально через монитор компьютера. Программа остановит иглу в нужном положении. Тогда можно приступить непосредственно к сканированию.
И.В. Яминский показал на экране монитора полученные его научной группой изображения, сделанные атомно-силовым микроскопом.

—Преимущество этого класса микроскопов перед другими, — сказал он, — состоит в том, что они не требуют создания вакуума в изучаемой области, как этого необходимо, например, в растровом электронном микроскоп. Наш микроскоп работает на воздухе, в жидкостях, газах — как при сверхнизких температурах жидкого гелия до тысячи и более градусов. Растровые электронные микроскопы работают в вакууме. Практически они не могут быть использованы в биологии, где для поддержания свойств образца необходима газовая или жидкая среда. Этим определяется огромный интерес микробиологов к атомно-силовому микроскопу. Интересно изучать строение растений. Когда мы поставили в микроскоп срез укропа, то увидели все элементы “несущей конструкции” листа — поперечные и продольные волокна.

Буквально через пять минут после начала работы все это появилось на экране компьютера с разрешением несколько нанометров.






С микроскопом через Интернет


Я попросил И.В. Яминского подробнее рассказать о новейших перспективных разработках.

—Мы впервые в мире сделали микроскоп, который полностью управляется через Интернет, — ответил ученый. — В этом кабинете стоит микроскоп, с которым можно работать с любого компьютера, соединенного с Интернет, то есть дистанционно управлять всеми режимами микроскопа и получать данные. Некоторые говорят, что это усовершенствование лишнее. Но, с другой стороны, тенденция развития науки и техники такова, что, может быть, уже через пару лет все приборы, даже обычные, — амперметры, вольтметры, будут управляться через Интернет.

—Ну, разумеется, в передовых лабораториях, — уточнил я.

—В нормальных, — поправил меня Яминский, — а все остальное будет считаться отсталым. Если я, например, работаю на некоторой установке и не могу пройти в другую комнату, то если установка включена в Интернет, я могу из другой комнаты через компьютер следить за экспериментом. Вся новая техника обязана базироваться на Интернете. Это должна быть такая новая функция. Принцип такой: любой научный прибор должен быть общедоступным. Многие процессы, которые мы изучаем, очень медленные. Например, кристалл растет в течении двух суток. Кадры надо снимать примерно раз в час. И что, сидеть все время при приборе? Но, вместе с тем, надо контролировать процесс. Это вполне можно делать дистанционно. Во-вторых, прибор должен быть обучающим. Вместо книжечки-описания, как в современных приборах, должны быть встроенные компьютерные презентации. Человек может задать вопрос в Интернете и получить ответ.

Яминский рассказал о том, что они отслеживают публикации по зондовой микроскопии, причем их число растет лавинообразно.

—Человек, который организовал первую фирму по микроскопии, заработал на этом 200 млн. долларов, — сказал ученый.

—А почему эта продукция пользуется таким спросом?

—Микроскопы находят широкое применение в электронной промышленности. Они позволяют контролировать технологические процессы изготовления микрочипов, магнитных носителей информации. Ведь мы можем мерить не только профиль поверхности. Можно изучать электрические свойства, определять магнитные, температурные и другие поля на поверхности вещества. Если на иглу напылить кобальт, она начинает чувствовать магнитную силу.
Яминский рассказал, что с помощью сканирующего зондового микроскопа был поставлен не один рекорд. Так, например, с его помощью научились перемещать по поверхности молекулы словно бильярдные шары, измерили механические свойства одной молекулы, сделали электрический диод на одном атоме, получили самую плотную запись информации, используя в качестве битов атомы ксенона… В одной статье невозможно дать даже самый беглый обзор всех подобных достижений, каждое из которых заслуживает отдельного описания. Возможно, мы к этому вернемся в одном из следующих номеров.






Планы на будущее

В заключение нашей беседы И.В. Яминский выразил убеждение, что в области нанотехнологии Россия не отстала от Запада и имеет хорошие перспективы:
—В России надо заниматься нанотехнологией, потому что в микроэлектронике мы уже не можем обогнать Запад. Нам надо перепрыгнуть через это: забыть про микрообласть. Пускай весь Запад работает на нас. Пускай они делают “Пентиумы” и все прочее. Нам не надо с ними конкурировать. Мы должны пойти дальше — в нанотехнологию.

—То есть, они создали для нас площадку, с которой мы сможем двинуться дальше?

—Мы используем американские микросхемы, чтобы строить российские микроскопы. Мы используем американское программное обеспечение, чтобы строить свое программное обеспечение.

—У нас действительно есть шансы вырваться вперед в нанотехнологии?

—Наномир —это принципиально новая область. В работе с ней все определяют мозги. А российские граждане — самые образованные.

—Еще до сих пор?

—До сих пор, абсолютно. Потому что российское образование на порядок лучше любого зарубежного, особенно если речь идет о среднем образовании. Ни в одной стране сейчас не учат считать, писать формулы. Все постигают не количественно, а качественно, на уровне картинок и разных веселых историй. Поэтому российские ученые в западных лабораториях уже вытеснили всех китайцев. Если идет два предложения: от китайца и от русского, всегда предпочитают специалиста из России. И вообще наука становится во многом российской. Те отечественные ученые, которые уехали работать на Запад, приезжают сюда и помогают устанавливать связи. Это нормальный, позитивный процесс.

—Но, с другой стороны, у нас в провинции много способных людей, которые, однако, не могут выбраться на такой уровень, когда их заметят, — напомнил я.

—Поэтому в нанотехнологии мы планируем создать серию центров, которые будут работать через Интернет. Если человек имеет свой компьютер, он может через Интернет работать на реальном дорогостоящем приборе. Таким образом, возможности столичного и провинциального ученых выравниваются. В перспективе, когда любая деревня будет подключена к глобальной сети Интернет, практически любой желающий получит равные возможности получения образования.

—Но элемент непосредственного общения с коллегой или преподавателем тоже очень важен. Иногда надо встречаться не виртуально.

—Для этого существуют поездки, встречи, олимпиады, летние школы. Конечно, Интернет не заменит общения.

—У вас, видимо, развита научная школа вокруг этой тематики?

—У меня занимается много молодых ребят, и среди них немало очень талантливых. Они создают программное обеспечение, которое покупают даже за рубежом. А продать за границу программное обеспечение из России очень трудно. В тех областях, где все определяется только головой и мозгами, нет никаких проблем конкурировать с Западом. Но там, где это завязано на материальное производство, — это сложно. Поэтому для нас оказывается сложнее сделать для того же микроскопа простую механику. Нужно производство с хорошей культурой.

—Этот микроскоп создавали, используя заказы заводам?

—Он создавался в университетской лабораторной мастерской на ученическом токарном станке. Пьезокерамику, хорошо делают в Зеленограде… Мои студенты на лабораторных работах изготавливают части микроскопов как механические, так и электрические, пишут программы, управляющие сканированием. Для современного Левши изготовить атомно-силовой микроскоп — не проблема… Надо заниматься нанотехнологией, молекулярной технологией, молекулярной медициной, создавать молекулярные лекарства, белки с новыми свойствами. Молодые люди, которые выбирают путь в науке, избрав микроскопию, имеют реальные шансы внести вклад в наши будущие приоритеты в нанотехнологии.

—У них есть хороший шанс найти работу по данной специальности?

—Если они захотят найти работу за границей, можно гарантировать 100-процентный результат. Такие специалисты востребованы в электронной технике, материаловедении, производстве полимеров, ну и на научной работе в университетах. В нашей стране производство пока слабо востребует науку, но я думаю, что это временное явление. Самое лучшее вложение и самая быстрая отдача в современном мире — от вложения денег в науку.

—Если говорить о нерешенных проблемах, — сказал я, — то, вероятно, остается проблема работы в объемах — внутри жидкости или газа, где тоже существуют интересные молекулярные объекты для изучения. Туннельный или силовой микроскопы основаны на точечном контакте двух жестких поверхностей. Изучать молекулы жидкости в ее объеме таким образом невозможно. Разработать более общий способ контакта…

—Пусть об этом подумают наши изобретатели.