nano_book[1]

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Глава 5. Инструменты нанотехнологии

“Главный инструмент нанотехнолога – его мозг”.

Александр Оликевич

Главное отличие человека от животных – его стремление к познанию и преобразованию природы. Появившись однажды на определенном этапе эволюции, это слабое существо, не имевшее ни крыльев, ни клыков, ни когтей, ни смертоносного жала, ни густого шерстяного покрова – в общем, ничего из того арсенала защитных средств, которыми обладали его более “удачливые” соседи, смогло в конце концов не только выжить в жестких ус ловиях естественного отбора, но и диктовать природе свои усло вия, активно преобразовывая окружающую среду.

Активность мышления, подгоняемая инстинктом самосох ранения, во все времена заставляла человека изобретать все но вые инструменты, будь то топор, колесо или компьютер. Поко ряя новые вершины познания, человек видел перед собой все более широкие горизонты, все более смелые мечты манили его, все полнее становилось его знание о мире. Тысячелетиями че ловек шел по пути познания, проникая все дальше в тайны при роды, и, видимо, не будет конца этому пути…

Получая новую информацию, мы анализируем, системати зируем и осмысливаем ее, и лишь потом ставим вопросы, ищем доказательства, формулируем законы, выдвигаем гипотезы и те ории. Поэтому огромную роль в познании природы играют инструменты получения информации о ней, первыми среди ко торых были наши удивительные органы чувств: глаза, уши, нос

– сами по себе сложные устройства, достойные восхищения ин женера. А ведь знания о природе не самоцель, а тоже своего ро да инструменты, с помощью которых человек решает различные задачи: от постройки дома до полета на Луну. Но научных зна ний тоже недостаточно. Чтобы воспользоваться ими, надо соз дать соответствующую технику, для чего опять таки необходи мы инструменты; сначала ими была просто пара лохматых рук.

Познание природы и развитие инструментов глубоко взаи мосвязаны. Чем совершеннее инструменты, тем более точную информацию мы можем получать, тем достовернее наши зна ния о природе. Так, например, до открытия телескопа человеку

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

были недоступны сведения ни о форме, ни о структуре нашей Галактики. А до изобретения сканирующих микроскопов никто и не подозревал о существовании уникальных углеродных сое динений – фуллеренов и нанотрубок.

С другой стороны, более совершенное мышление позволяет изобретать более точные инструменты и приборы, порой на по рядки превосходящие возможности существующей технологии. Так, многие изобретения величайшего гения Леонардо да Вин чи (типа цепного привода или шарикоподшипника) были тео ретически вполне работоспособны, однако же не использова лись в XVI веке. Для их реализации была необходима высоко точная обработка деталей, которая хоть и не представляет слож ности сегодня, но была совершенно нереальна для той эпохи.

Проникнув в невидимый мир атомов и молекул, мы еще острее нуждаемся в развитии инструментов, способных не только обеспечить получение новой информации, но и привес ти к потрясающему прогрессу во многих областях. Данная гла ва представляет собой небольшой обзор некоторых наиболее популярных инструментов нанотехнологии, но все же читателю следует помнить, что на самом деле их несравненно больше.

История развития микроскопии

Едва рождаясь на свет, человек начинает активно познавать окружающий мир, используя изначально присущие ему методы получения информации типа “посмотреть”, “потрогать”, “попробовать на вкус” и т.д.

С появления первого человека до начала XVII в. эти методы были единственным способом получения объективной инфор мации о мире. Однако когда развитие оптики привело к созда нию первых телескопов и микроскопов, ученые впервые полу чили возможность проникнуть далеко за пределы видимости, доступные человеческому зрению.

Оптический микроскоп

Как бы человек ни гордился своей изобретательностью, все же следует признать, что в основе многих его достижений лежат прин ципы, так или иначе “подсмотренные” у природы. В частности, речь идет о самом популярном инструменте ученых – микроскопе.

224

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Человеческий глаз представляет собой естественную опти ческую систему с определённым разрешением – возможностью различения деталей наблюдаемого объекта. Для нормального зрения максимальное разрешение (на расстоянии наилучшего видения 25 см) составляет порядка 0,1–0,2 мм. Размеры же микроорганизмов, клеток растений и животных, деталей мик роструктуры кристаллов и т.п. значительно меньше этой вели чины. Обнаружение и изучение подобных объектов было бы невозможным без оптических микроскопов.

Микроскоп (от греч. “micros”–малый, и “scopeo”–смотреть)

– оптический прибор для получения увеличенных изображе ний объектов, не видимых невооруженным глазом, оказал по истине революционное действие на развитие многих наук, и в особенности, биологии.

Увеличение изображения происходит за счет преломления света, проходящего сквозь стеклянную линзу, способную в зави симости от своей формы фокусировать или рассеивать световой пучок. Самым простым прибором, демонстрирующим это явле ние, является обыкновенная лупа – плосковыпуклая линза.

Один из первых микроскопов сконструирован в 1609 1610 гг. Галилеем. Он состоит из двух систем линз окулярa и объективa. Объектив, расположенный близко к образцу, создает первое увеличенное изображение объекта, которое еще раз увеличивается окуляром, который помещают ближе к глазу наблюдателя.

Образец обычно берется в виде очень тонкого среза и рас сматривается в падающем свете, поэтому под предметным сто ликом находится специальная система линз, называемая кон* денсором, который концентрирует свет на образце. Еще ниже расположено зеркало, которое отбрасывает свет лампы на обра зец, за счет чего вся оптическая система микроскопа и создает видимое изображение.

На рисунке представлена схема работы микроскопа.

С XVIII столетия развитие микроскопии шло главным обра зом по пути улучшения конструкции механических частей. Со вершенствование шлифовки и подгонки линз привело к тому, что микроскопы начала XIX в. давали увеличение до 1000 раз.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис 135. Схема работы оптического микроскопа (1–осветительная лампа; 2–линза, используемая для равномерного освещения объекта; 3–полевая

диафрагма для ограничения светового пучка; 4–зеркало; 5–апертурная диафрагма для ограничения светового пучка; 6–конденсор; 7– рассматриваемый объект (препарат); 7’–увеличенное действительное изображение объекта; 7’’–увеличенное мнимое изображение объекта; 8–объектив; 9–окуляр; 10–предметный столик)

Создание фабричного производства микроскопов, конку ренция между фабриками привели к удешевлению инструмен тов, и микроскоп становится повседневным лабораторным инструментом, который могли иметь даже отдельные врачи и студенты. С этого момента отмечается настоящий “микроско пический бум”. Перед исследователями открылся новый, дото ле недоступный мир. С энтузиазмом первооткрывателей они кладут под микроскоп буквально все, что попадается им под ру ку – кончик иглы, зубной налет, капли крови, дождя. Открытия следуют одно за другим...

Рассматривая каплю воды из канавы, А. Левенгук – один из талантливейших микроскопистов любителей – впервые увидел

226

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

простейших; исследователю удалось рассмотреть не только строение многих из них, но и способы движения и даже разм ножения. Он же впервые описал красные кровяные тельца — эритроциты.

В1677 г. Левенгук совместно со студентом медиком И. Га мом открыл сперматозоиды13. Р. де Грааф установил, что женс кая половая железа млекопитающих, подобно яичнику птиц, продуцирует яйца. Идея о наличии яйца у млекопитающих приблизила разрешение вопроса о сущности оплодотворения.

В1773 г., почти через 100 лет после первых наблюдений А. Левенгука, датскому зоологу О.Ф. Мюллеру удалось настолько хорошо рассмотреть бактерий, что он смог описать очертания и формы нескольких из них.

Применение микроскопа позволило детально изучить мик роструктуру различных органов животных. М. Мальпиги обна ружил капилляры; это удачно дополняло учение В. Гарвея о кругах кровообращения. Мальпиги описал микроскопическое строение легких, печени, почек, селезенки. Я. Сваммердам изучил строение насекомых, их развитие.

Изучение доселе недоступных деталей строения животных, растений и грибов показало, что в основе всего живого лежит универсальное крошечное образование – клетка. В 1839 г. Т.Шванн формулирует клеточную теорию. Ученому удалось по казать, что клеточная структура имеет всеобщее распростране ние в мире живого, все ткани состоят или развиваются из впол не стандартных клеток. Таким образом, клеточная теория пока зала морфологическое единство всей органической природы и тем самым способствовала утверждению идеи эволюции.

Эти примеры лишний раз доказывают, что развитие инстру ментов идет рука об руку с развитием науки и технологии и что успехи в этих областях связаны самым тесным образом.

Разрешающая способность микроскопов

Хотя со времен Левенгука увеличение оптических микрос копов выросло с 300 до 1500 единиц, на пути дальнейшего рос та разрешающей способности стоит непреодолимый теорети ческий барьер – так называемый “предел Рэлея”.

13 Микромир оказался настолько необычен, что далеко не сразу ученые смогли полностью осознать увиденное. Сперматозоидов, например, сначала принимали либо за маленьких человечков, которые затем линейно вырастают во время беременности, либо за простейших, паразитирующих в сперме

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Английский физик Джон Рэлей в 70 х годах XIX века сформулировал принцип, в соответствии с которым предельное разрешение микроскопа не может быть больше половины длины волны освещающего объект света. Например, если освещать объект красным лазером с длиной волны =650 нм, то предел разрешения окажется в 325 нм.

Это досадное препятствие объясняется явлением дифракции света: изображение точки даже в идеальном, не вносящем ника ких искажений объективе, не воспринимается глазом как точка, так как вследствие дифракции является, фактически, круглым светлым пятнышком конечного диаметра, окруженным нес колькими попеременно тёмными и светлыми кольцами. Если же две светящиеся точки расположены на очень близком расстоя нии друг от друга, то их дифракционные картины накладывают ся одна на другую, давая в результате весьма размытое изображе ние со сложным распределением освещенности.

В погоне за все более высоким оптическим разрешением микроскописты шли на самые разные технические ухищрения. В частности, была доведена до предела длина облучающего све та, что привело к созданию ультрафиолетовой микроскопии (280 300 нм), позволяющей визуализировать объекты размером 150 170 нм. Но, несмотря на то, что ультрафиолетовые микрос копы почти вдвое превосходят обычные по разрешающей спо собности, они обладают одним серьезным недостатком: ультра фиолет повреждает биообъекты, поэтому такие микроскопы со вершенно не подходят для биотехнологических исследований.

Электронный микроскоп

Для изучения нанообъектов разрешения оптических мик роскопов (даже использующих ультрафиолет) явно недостаточ но. В связи с этим в 1930 х гг. возникла идея использовать вмес то света электроны, длина волны которых, как мы знаем из квантовой физики, в сотни раз меньше, чем у фотонов.

Как известно, в основе нашего зрения лежит формирование изображения объекта на сетчатке глаза световыми волнами, отра женными от этого объекта. Если, прежде чем попасть в глаз, свет проходит сквозь оптическую систему микроскопа, мы видим уве личенное изображение. При этом ходом световых лучей умело управляют линзы, составляющие объектив и окуляр прибора.

228

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Но как же можно получить изображение объекта, причём с гораздо более высокой разрешающей способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а частиц?

Ответ очень прост. Известно, что на траекторию и скорость электронов существенно влияют внешние электромагнитные поля, с помощью которых можно эффективно управлять дви жением электронов.

Наука о движении электронов в электромагнитных полях и о расчёте устройств, формирующих нужные поля, называется

электронной оптикой

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптичес кими линзами. Поэтому в электронном микроскопе устройства фокусировки и рассеивания электронного пучка называют “электронными линзами”.

Рис 136. Электронная линза. Витки проводов катушки, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок

Магнитное поле катушки действует как собирающая или рассеивающая линза. Чтобы сконцентрировать магнитное поле, катушку закрывают магнитной «броней» из специального ни кель кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор во внут ренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10–100 тыс. раз сильнее, чем магнитное поле Земли!

К сожалению, наш глаз не может непосредственно воспри нимать электронные пучки. Поэтому они используются для “рисования” изображения на люминесцентных экранах (кото рые светятся при попадании электронов). Кстати, тот же прин цип лежит в основе работы мониторов и осциллографов.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Существует большое количество различных типов элект ронных микроскопов, среди которых наиболее популярен

растровый электронный микроскоп (РЭМ). Мы получим его уп рощенную схему, если поместим изучаемый объект внутрь электронно лучевой трубки обыкновенного телевизора между экраном и источником электронов.

В таком микроскопе тонкий луч электронов (диаметр пуч ка около 10 нм) обегает (как бы сканируя) образец по горизон тальным строчкам, точку за точкой, и синхронно передает сиг нал на кинескоп. Весь процесс аналогичен работе телевизора в процессе развертки. Источником электронов служит металл (обычно вольфрам), из которого при нагревании в результате термоэлектронной эмиссии14 испускаются электроны.

Рис 137. Схема работы растрового электронного микроскопа

При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из за столкновений с ядрами атомов образца, другие – из за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят сквозь него. В некоторых случаях испускаются вто ричные электроны, индуцируется рентгеновское излучение и

14 Термоэлектронная эмиссия – выход электронов с поверхности проводников. Число вышедших электронов мало при Т=300K и экспоненциально растет с повышением температуры.

230

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

т.п. Все эти процессы регистрируются специальными детекто рами и в преобразованном виде выводятся на экран, создавая увеличенную картинку изучаемого объекта.

Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. В связи с тем, что длина волны электрона на порядки меньше, чем фотона, в современных РЭМ это увели чение может достигать 10 миллионов15, соответствуя разреше нию в единицы нанометров, что позволяет визуализировать от дельные атомы.

Главный недостаток электронной микроскопии – необхо димость работы в полном вакууме, ведь наличие какого либо газа внутри камеры микроскопа может привести к ионизации его атомов и существенно исказить результаты. Кроме того, электроны оказывают разрушительное воздействие на биоло гические объекты, что делает их неприменимыми для исследо вания во многих областях биотехнологии.

История создания электронного микроскопа – замечатель ный пример достижения, основанного на междисциплинарном подходе, когда самостоятельно развивающиеся области науки и техники, объединившись, создали новый мощный инструмент научных исследований.

Вершиной классической физики была теория электромаг нитного поля, которая объяснила распространение света, электричество и магнетизм как распространение электромаг нитных волн. Волновая оптика объяснила явление дифракции, механизм формирования изображения и игру факторов, опре деляющих разрешение в световом микроскопе. Успехам кван товой физики мы обязаны открытием электрона с его специфи ческими корпускулярно волновыми свойствами. Эти отдель ные и, казалось бы, независимые пути развития привели к соз данию электронной оптики, одним из важнейших изобретений которой в 1930 х годах стал электронный микроскоп.

Но и на этом ученые не успокоились. Длина волны элект рона, ускоренного электрическим полем, составляет несколько нанометров. Это неплохо, если мы хотим увидеть молекулу или даже атомную решетку. Но как заглянуть внутрь атома? На что похожа химическая связь? Как выглядит процесс отдельной хи

15 При увеличении в 10 миллионов раз арбуз "вырастает" до размеров Луны.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

мической реакции? Для этого сегодня в разных странах ученые разрабатывают нейтронные микроскопы.

Нейтроны обычно входят в состав атомных ядер наряду с протонами и имеют почти в 2000 раз большую массу, чем элект рон. Те, кто не забыл формулу де Бройля из квантовой главы, сразу сообразят, что и длина волны у нейтрона во столько же раз меньше, то есть составляет пикометры тысячные доли нано метра! Тогда то атом и предстанет исследователям не как расп лывчатое пятнышко, а во всей своей красе.

Нейтронный микроскоп имеет много плюсов – в частнос ти, нейтроны хорошо отображают атомы водорода и легко про никают в толстые слои образцов. Однако и построить его очень трудно: нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому преспокойно игнорируют магнитные и электрические поля и так и норовят ускользнуть от датчиков. К тому же не так то просто выгнать большие неповоротливые нейтроны из атомов. Поэтому сегодня первые прототипы нейтронного микроскопа еще весьма далеки от совершенства.

Сканирующая зондовая микроскопия

Представьте, что вам завязали глаза и попросили как можно подробнее описать некоторый предмет. Каковы будут ваши действия? Конечно, сначала вы хорошенько ощупаете его, постаравшись получить хоть какую то информацию. При этом получить сведения о некоторых свойствах данного пред мета вам, конечно же, не удастся (например, о его цвете). Тем не менее, вы сможете рассказать многое о форме предмета, его

размерах, температуре, твердости, материале, из которого он сделан, и т.п.

Принцип подобного “ощупывания” поверхности лежит в основе так называемых сканирующих зондовых микроскопов, определяющих мельчайшие неровности поверхности, ведя по ней кончиком сверхтонкого зонда.

Сканирующие зондовые микроскопы обеспечивают атомарное разрешение и работают не только в вакууме, но и в газовой и жидкой среде. Сегодня они являются основным аналитическим оборудованием нанотехнологов

232