Можно сказать, что они повторили работу Рассела Янга, но на более высоком научном и техническом уровне. Они взяли у него идею иглы-зонда, пьезоэлектрическую систему позиционирования и систему обратной связи. Но Бинниг сделал ставку на туннельный эффект, он приблизил иглу к поверхности на расстояние менее одного нанометра, что сразу привело к увеличению разрешения. Впрочем, не сразу, для этого исследователям пришлось решить ряд сложнейших технических проблем, до которых у Янга просто не дошли руки. Да и техника за десятилетие далеко продвинулась вперед.
Одна из проблем заключалась в изоляции от акустических и механических вибраций. В первой модели сканирующего туннельного микроскопа (так был назван новый прибор) для этого использовали новейшую разработку того времени – сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла.
Большим подспорьем оказался прогресс в области ЭВМ, но тут, как говорится, все козыри были на руках у IBM. Как и в создании быстродействующей малошумящей электроники. Задача разглядеть структуру непременно с атомарным разрешением не ставилась, это стало для исследователей неожиданным и потому вдвойне приятным бонусом. Они и сами поначалу не поняли, что это за бугорки торчат ровными рядами на поверхности золотой фольги, которую они поместили в свой прибор в один из дней 1981 года. По всему выходило, что это атомы, но исследователи не верили собственным глазам. Фотографию эту Бинниг с Рорером опубликовали только через два года. Более убедительным им показалось следующее полученное ими изображение – поверхности монокристалла кремния с четко видными шариками атомов. Но это нам сейчас четко видно, а в 1982 году ученые высказали привычный уже скепсис.
Сам же новый прибор для изучения поверхности вызвал большой интерес. Немало способствовали этому изобретатели, которые рекламировали его где только можно и с готовностью принимали посетителей в своей лаборатории в Цюрихе. Что ни говори, а IBM в плане пиара даст сто очков вперед Национальному бюро стандартов США.
Но среди всей этой суеты Бинниг, по его собственному признанию, загрустил. Приложив невероятные усилия, он создал выдающийся прибор, ничего подобного ему в будущей жизни, скорее всего, создать не удастся. По сравнению со сканирующим туннельным микроскопом все это будет рутиной. К счастью, он ошибся. Для смены обстановки Бинниг перебрался в Калифорнию, в головную исследовательскую лабораторию IBM, и там его посетила новая идея.
Бинниг, как никто другой, знал главный недостаток сканирующего туннельного микроскопа: его применение ограничено электропроводящими образцами или веществами, нанесенными на поверхность проводника. Вот если бы обойтись без измерения силы электрического тока… Бинниг стал анализировать различные типы взаимодействия между кончиком иглы и поверхностью образца и пришел к выводу, что для его целей лучше всего подходят пусть слабые, но зато универсальные ван-дер-ваальсовы взаимодействия между атомами. Вот только как измерить силу этого взаимодействия между атомом, находящимся на самом кончике иглы зонда, и ближайшим атомом поверхности образца?
Идея выглядит еще более сумасшедшей, если знать, во что она в конце концов воплотилась. В созданном Биннигом атомно-силовом микроскопе в качестве зонда используют не просто тончайшую иглу, а балку (консоль) из монокристалла кремния с размерами порядка долей миллиметра, называемую кантилевером, на которой укреплена собственно игла. А измеряют степень изгиба этой балки под действием сил притяжения или отталкивания между двумя атомами. Это все равно, что измерять изгиб торчащего из бетонной стены стального швеллера, на конец которого опустилась пылинка. Невозможно, скажете вы. Соглашусь. Но Бинниг это сделал, экспериментальный факт.
Сканирующий атомно-силовой микроскоп – поистине универсальный прибор. С его помощью можно изучать объекты любой физической и химической природы. Кроме того, измерения можно проводить не только в вакууме, но и других средах, вплоть до водных растворов (при этом, естественно, изучают молекулы, адсорбированные на твердой поверхности). Все это особенно важно для исследования биологических объектов – белков, нуклеиновых кислот, клеток, вирусов, бактерий и т. д.
Разработал его Бинниг в 1986 году. В том же году пришла награда – за сканирующий туннельный микроскоп Бинниг получил Нобелевскую премию по физике. Вместе с Рорером и Руской. С последним Биннига с Рорером объединяло только слово “микроскоп”, но Нобелевский комитет пошел на это, чтобы воздать должное патриарху. Лауреатов может быть максимум три, так что Кристоф Гербер остался за чертой призеров. Он получил в виде компенсации множество других премий, но кто о них знает, кроме узких специалистов? Нобелевский комитет отметил также специальным коммюнике вклад Рассела Янга в создание сканирующего туннельного микроскопа. Кто сейчас помнит о Расселе Янге? Его фамилия, как и фамилия Гербер, все реже упоминается в историях создания зондовых микроскопов. Все придумал Бинниг, а Рорер был его начальником. Тут действует общее правило: победитель получает все.Победителем был Бинниг. Но он не стал почивать на лаврах и увлекся новой идеей – как на учить компьютер мыслить так же, как он, креативно и дедуктивно. В 1994 году Бинниг основал компанию “Definiens”, которая занимается, в частности, разработкой программного обеспечения для распознавания образов. Пожелаем ему удачи.Зондовые микроскопы – конечно, выдающееся творение ума человеческого, я не побоюсь поставить их в один ряд с орбитальной космической станцией, телескопом “Хаббл” и компьютером. Они чрезвычайно расширили наши возможности в познании тайн вещества и живой материи.
Только не следует думать, что до их изобретения ученые блуждали в потемках, как это зачастую представляют. У ученых было достаточно других методов исследования структуры вещества плюс развитое пространственное воображение, так что большинство из них хорошо представляли себе, как выглядят изучаемые ими объекты. Глядя на современные фотографии сверхвысокого разрешения, они зачастую лишь удовлетворенно кивают головой: да, все верно, именно так мы себе это и представляли. Более того, такие фотографии далеко не всегда принимаются в качестве убедительного доказательства в научном споре, если они противоречат другим данным.
Как же так, скажете вы, как же можно спорить с очевидностью в прямом смысле этого слова? Но разве после прочтения этой книги вы не поняли, что ученых хлебом не корми – дай опровергнуть очевидное, именно так открытия и делаются. А если без шуток, то основания для сомнений действительно есть почти всегда. Объекты фотографируют в условиях, далеких от условий их существования в реальной среде, при подготовке образцов к съемке их подвергают различным воздействиям, которые могут повлиять на их структуру. В результате фотография соотносится с оригиналом в лучшем случае как тело в гробу с живым человеком, которого мы хорошо знали при жизни.Кроме того, исследования обычно ограничиваются единичным объектом или микроскопическим участком. Насколько эти данные показательны? Представьте себе, что вы выхватили наугад человека из толпы в произвольной части земного шара и из его внешности и характера делаете вывод о всем человечестве в целом. Конечно, по правилам нужно, как говорят, набрать статистику, изучить репрезентативную группу и усреднить параметры, но это требует времени и денег, которых, как водится, всегда не хватает. Поэтому изучают единичный объект, а из нескольких полученных фотографий выбирают ту, которая в наилучшей степени иллюстрирует тезис, который хочет доказать исследователь.Необходимо также помнить, что в добрый старый оптический микроскоп мы объект действительно видим, тогда как картинка, получаемая с помощью современных зондовых микроскопов, представляет собой, по сути, компьютерную реконструкцию, результат математической обработки регистрируемых устройством сигналов. В существе используемых при этом программ не разбирается даже большинство специалистов, работающих на этих микроскопах, что уж говорить о пользователях. Вот почему так ценятся классные специалисты, которые могут разъяснить, что в полученной картинке соответствует, скорее всего, действительности, чему не следует придавать большого значения и на что вовсе не стоит обращать внимания как на ложный, приборный, компьютерный артефакт, который они зачастую тут же и “стирают”, используя все те же компьютерные программы.
Что из этого следует? Только то, что ученым есть еще над чем работать в плане совершенствования техники исследований. Чем они и занимаются, упорно и последовательно. И все это нисколько не затмевает того факта, что создание зондовых микроскопов с атомарным разрешением привело к феноменальному прогрессу науки и техники и выходу их на новый уровень, который мы сейчас обобщенно называем нанотехнологиями. Структура многих объектов была впервые изучена именно с помощью зондовых микроскопов, потому что другие методы были бессильны. А это, в свою очередь, создало основу для целенаправленного конструирования новых объектов, материалов, устройств, обладающих разными полезными для нас с вами свойствами.
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.