Нанонауки. Невидимая революция - Кристиан Жоаким

Дон Эйглер придумал несколько объяснений для поведения атомов металлов и малых молекул: его «молекулярный человечек» ростом в 5 нм состоял из молекул моноксида углерода (угарного газа). Весть про успехи Эйглера дошла до Японии и вызвала у тамошних ученых острую зависть. Директор Hitachi потребовал от своих научных сотрудников научиться писать атомами. Но остроумные японцы, вместо того чтобы выводить буквы на поверхности металла, выставляя на ней атом за атомом, решили снимать атомы, тоже по одному, с поверхности полупроводниковой подложки — буквы выкладывались не из атомов, а из дырок, оставшихся после удаления атомов. На надпись «IBM» японцы ответили целым лозунгом «РЕАСЕ’91 HCRL» — «МИР в 1991-м году — Центральная исследовательская лаборатория фирмы Hitachi».

Умение Дона Эйглера манипулировать атомами помогло проворным политикам в США, а затем и Японии развернуть за счет бюджета большие научно-исследовательские программы. За ними последовали и иные не слишком застенчивые правительства по всему миру; впрочем, об этом уже рассказано — в главе 1. И все же до середины 1990-х годов ни в одной лаборатории за городской чертой Альмадена не смогли воспроизвести эксперимент Дона Эйглера — уже потому, что нигде в мире ни у кого не было такого хорошего туннельного микроскопа, как в Альмадене. Только потом Герхард Мейер из Берлинского свободного университета сумел придумать усовершенствования, позволившие поставить производство туннельных микроскопов, пригодных для манипуляции атомами, на поток (причем каждый такой прибор стоил немало — примерно 0,4 млн евро!).

Дон Эйглер, что и говорить, первопроходец, но его удача породила новые вопросы. Например: а нельзя ли перемещать одиночные большие молекулы? Иголка может «наступить» не только на атом, но и на молекулу, и та схватится за кончик иглы. Но в молекуле, особенно огромной, и атомов много, и энергия захвата рассеется на многочисленных химических связях между атомами внутри молекулы. В итоге молекула не сдвинется, а то и слетит с иглы — если экспериментатор надавит на молекулу чуть посильнее.

Мы — то есть физик из лаборатории IBM в Цюрихе Джим Гимжевски и я — предложили свое решение этой задачи. Джим был из тех начинающих физиков, которые, как считало руководство IBM, должны были освоить работу с туннельным микроскопом и научиться применять этот прибор во всех областях физики и химии для изучения поверхностей. Прибор, совсем новый, позволял наблюдать явления, разворачивающиеся на поверхностях металлов и полупроводников, — можно было, к примеру, «увидеть», как атом бора (бор используется в качестве примеси, усиливающей нужные свойства полупроводника) влезает в атомную решетку полупроводника и как искажается эта решетка после появления энергичного пришельца. Микроскоп одарял нас прекрасными и весьма поучительными изображениями, но главное — очень уж не хотелось, чтобы весь приоритет заграбастали ловкачи из IBM. Еще в 1988 году, когда я пропускал электрический ток через молекулу, работая вместе с Авирамом в Нью-Йорке, Джим в Цюрихе получил первые изображения большой молекулы — фталоцианина (это такой краситель) — на поверхности серебряной подложки (см. Приложение I).

Джим продолжал возиться с макромолекулами, а я помогал ему объяснять и получаемые картинки, и то, как они возникают. В самом деле туннельный микроскоп формирует изображение, пользуясь облачками электронов, окружающих атомы, а не непосредственно самими атомами. Сигнал микроскопа столь силен, что это электронное облако становится совсем прозрачным для «туннельных» электронов, испускаемых микроскопом. Можно составить карту этой прозрачности, которая пропорциональна электропроводимости туннельного соединения «игла — молекула — поверхность». Нельзя сказать, чтобы такая карта разом становилась бы полноценным изображением — этакой «фотокарточкой молекулы». Нередко карта получалась трудночитаемой, и было непросто понять, что же изображено на картинке, и догадаться, какова форма молекулы; да и сообразить, молекула ли это или какие-то помехи, удавалось не всегда.

В 1995 году мы изучали большую молекулу соединения, называющегося порфирин, и смогли построить карту ее электропроводности, однако так и не поняли некоторые детали этой карты. Джим вместе с молодым физиком по имени Томас Юнг, который входил тогда в нашу группу, занимался изображениями, а я — расчетами, истолковывающими эти картинки. И вот в апреле приходит сообщение от Томаса: «Она движется!»

Вскоре мы с Джимом решили ввести в эксперимент еще один параметр и слегка приподнять тело молекулы над поверхностью, чтобы изменить взаимодействие между молекулой и поверхностью. Мы задались вопросом, как это повлияет на карту проводимости, и поставили несколько новых опытов с молекулой порфирина, оснащенной четырьмя маленькими молекулярными ножками, приподнимавшими молекулу над поверхностью на 0,4 нм. Томасу было поручено получить серию изображений этой молекулы о четырех лапках. Ему, как и Дону Эйглеру, было невмоготу сидеть у экрана компьютера и дожидаться, пока высветится одна картинка, потом другая, и он решил получать изображения на магнитоскопе. С утра он просматривал череду изображений на повышенной скорости и заметил, что несколько четвероногих молекул сместились в сторону наклона. Он тут же отправил мне мейл. Вот когда до нас дошло, как игла микроскопа двигает макромолекулой: надо приделать к молекуле лапки и как следует толкнуть ее иглой. Вроде бы очевидно — во всяком случае, мысль не поражает ни новизной, ни глубиной. Но тогда, в начале 1990-х годов, никто и не думал, что в обращении с объектом меньше нанометра применимы понятия механики — те же, что и в макроскопическом мире. Мы до того были пропитаны квантовой механикой, что не смели и думать о приложении классической механики к нанометрическим масштабам, к одной-единственной молекуле.

Тем не менее эта самая молекула превосходно знала законы механики Ньютона и охотно им подчинялась. Мы показали методами численного моделирования, что если ножки молекулы достаточно высоки, а кончик иглы находится над молекулой на такой высоте, что игла взаимодействует преимущественно с «серединкой», то какая-то доля энергии, движущей иглой, не рассеивается внутри молекулы, а сдвигает ее. Значит, надо учиться располагать иглу над молекулой на правильной высоте. И незачем замораживать металлическую поверхность, как это было в опытах с атомами ксенона. А четырех лапок хватало, чтобы молекула достаточно прочно сцеплялась с поверхностью на новом месте в четырех точках и, значит, не пыталась убежать, даже при комнатной температуре.

Потом было много других молекул, которые мы сдвигали и перемещали по металлическим и полупроводниковым поверхностям. А искусство манипулирования молекулами с тех пор только совершенствовалось. Но возникли новые вопросы, например: а нельзя ли манипулировать атомами и молекулами на поверхности диэлектрика? В самом деле, если поверхность — проводящая, то есть металлическая или полупроводниковая, то игла, молекула и сама поверхность взаимодействуют между собой — электрически. Поверхность похожа на ловушку — или часть ловушки, — в которую попадает атом или или молекула; вторая сторона ловушки — сама игла. А если поверхность не проводит ток (диэлектрик), то взаимодействия нет и о захвате или ловушке говорить не приходится. Нашлось немало исследовательских коллективов, пытавшихся ответить на этот вопрос, и они обнаружили что-то похожее на очень слабое взаимодействие (его назвали ван-дер-ваальсовым). А вот еще вопрос, больше на будущее; пусть атомные и молекулярные манипуляции происходят в двух измерениях на некоторой поверхности; так нельзя ли будет в один прекрасный день выковырять одну молекулу из этой поверхности и потом протащить ее в любом произвольном — по желанию экспериментатора — направлении? А пока умеющая манипулировать атомом в пространстве — и выполняющая желания экспериментатора — игла туннельного микроскопа уже действует как волшебный ключик и открывает тайны законов, правящих миром внизу. Манипулирование атомами позволит ставить неслыханные и невообразимые прежде физические опыты: например, исследовать механические или электрические свойства одиночной молекулы.

В макроскопическом масштабе выключатель — то есть прерыватель тока — выглядит как металлическая пластинка с пружиной. Опрокидываясь, как коромысло, эта железка замыкает два электрических контакта. В «мире внизу» на роль такого замыкателя годится одиночный атом. В 1987 году Авирам уже предлагал молекулу-выключатель, и мы даже ставили эксперимент, пробуя использовать молекулу в качестве выключателя. В 1993 году. Дон Эйглер предложил вместо молекулы, которая, для того чтобы переключать ток, должна менять свою форму, взять какой-нибудь атом и заставить его работать «коромыслом», замыкающим или размыкающим электрические контакты. Смещением атома можно было бы управлять, прикладывая напряжение в несколько вольт между иглой и поверхностью подложки: меняя напряжение, заставить атом двигаться туда, куда захочется экспериментатору. Нет напряжения, и ток ничтожно мал; стало быть, выключатель — в положении «выключено». Когда же атом, опрокинувшись, прикоснется к кончику иглы, ток вырастет в полсотни раз — и положение выключателя переменится на «включено». Итак, состояние атома-переключателя можно менять, то есть переводить из положения «включено» в положение «выключено», и наоборот. Вот и пришло время на весь мир объявить о создании первого атомного выключателя. Десятью годами спустя Франческа Мореско из Берлинского университета построила выключатель на молекуле, которая у нее работала коромыслом-замыкателем. Использовать в переключателе молекулы, а не атомы, кажется очень заманчивым: у молекулы есть известные химические свойства, которые можно менять, меняя тем самым ее взаимодействие с поверхностью и, значит, опрокидывая эту молекулу, причем очень быстро.