Увидеть молекулу через увеличительное стекло невозможно, никакой лупе это не под силу. Размер молекулы воды — 0,3 нанометра, то есть 0,3 от миллионной доли миллиметра. Молекула бензола побольше — 0,5 нм. Состоящие из углерода, кислорода и водорода молекулы липидов и глицинов еще крупнее — до 1 нм. А состоящие из аминокислот молекулы белка вдесятеро больше — с десяток нанометров. ДНК — вообще молекула-великан, «макромолекула», длина которой доходит до многих микрон, а если такую скрученную в спираль молекулу расплести, она растянется на многие метры. Но даже эту воистину гигантскую молекулу в лупу увидеть невозможно.

Какой же прибор взять, чтобы все-таки углядеть молекулу? Оптический микроскоп позволяет благодаря лучам света увидеть в объектив увеличенное изображение малюсенького объекта. В наши дни микроскопы с увеличением в тысячу раз продаются в гипермаркетах. За какую-то сотню евро можно наслаждаться созерцанием волосков на лапках блохи и крошечной живности, кишащей в капле воды, или заняться разглядыванием фацетного глаза мухи. Словом, видеть то же, что и Роберт Гук, Антони ван Левенгук, Галилей — первые исследователи, заглянувшие в трубу микроскопа еще в XVII веке.

Глядя в такой микроскоп, вы увидите паутинку или волос диаметром около 50 мкм такими, словно бы диаметр вырос до 5 см. Так что? Если молекула воды «вырастет» в 1000 раз, то есть до 0,3 мкм, то, значит, ее можно будет увидеть? Увы! Что бы вам ни говорили знатоки микроскопов, знайте: изображение молекулы воды никогда никто в объективе микроскопа не видел — и никогда не увидит. Виноваты свойства света: волна света разлагается и преломляется (принято говорить о «дифракции»), проходя через любой объект, величина которого соизмерима с длиной волны. А видимый свет — это электромагнитные волны длиной около 0,1 мкм. Изображение в этом случае расплывается или вообще пропадает из объектива.

В других микроскопах вместо видимого света используются невидимые лучи (ультрафиолетовые, инфракрасные) или пучки элементарных частиц, а в туннельном микроскопе, многократно упоминавшемся в этой книге выше, работают квантовые явления.

Сегодня микроскопы принято делить на две категории. Если источник света или элементарных частиц располагается поодаль от наблюдаемого объекта, то такой микроскоп называют микроскопом дальнего поля, если же источник и объект рядом, прибор относят к классу ближнего поля (расстояние оценивается относительно длины волны используемого излучения). Чтобы уяснить различие, давайте получше присмотримся к тому увеличительному стеклу, которым в 1668 году воспользовался голландец ван Левенгук. Его увеличительное стекло представляло собой, в сущности, микроскоп с одной линзой почти сферической формы. Свет, например от Солнца или лампы, отражаясь от зеркал, освещает объект и отражается от него. Затем лучи света проходят через линзу и, попадая в объектив, выстраивают увеличенное изображение, наблюдаемое непосредственно. Источник света удален от объекта, и потому линза ван Левенгука входит в класс микроскопов дальнего поля.

Слепой «видит» предмет, ощупывая его: осязание подменяет зрение. Обводя объект пальцем, линия за линией, незрячий может составить в своем сознании некое ментальное изображение объекта. Поступая таким образом, слепец прибегает к приему «ближнего поля». А если вместо пальца тончайшая игла? Тогда, если точно отладить колебания иглы, можно с высоким разрешением получить, точнее, реконструировать (по перемещениям иглы), изображение наблюдаемого объекта. Микроскопия ближнего поля изобретена затем, чтобы заменить микроскопию дальнего поля в тех ситуациях, когда в дело вмешивается дифракция.

Рис. 1. — Химическое строение молекулы металлического фталоцианина, впервые синтезированного в 1927 году швейцарскими химиками Э. де Дьебашем и Э. фон дер Вайдом. Металлическим это соединение называется потому, что один из атомов молекулы фталоцианина замещен атомом металла, в данном случае — формула C 32 H 16 CuN 8 — меди. На рисунке этот центральный атом металла обозначен литерой М. Выяснить структуру молекулы удалось в 1936 году благодаря рентгеновским лучам и эффекту дифракции. Чтобы дать представление если не о размерах молекулы, то хотя бы о масштабах, укажем, что длина воображаемой диагонали между центральным атомом металла M и двумя расположенными по обе стороны от него атомами азота N равна 1,5 нм

Чтобы читатель лучше представил себе основные этапы истории микроскопа, мы расскажем о приключениях одной молекулы, сильно поспособствовавшей прогрессу микроскопии (и других исследовательских методик) на протяжении почти столетия: это фталоцианин меди (рис. 1). Размеры этой молекулы — средние, а само соединение получают в виде раствора, кристаллов или осадка на твердой поверхности, для удобства наблюдения. Впервые фталоцианин меди был получен в 1927 году, а в наши дни он встречается на каждом шагу: если пластиковая сумка, в которую упаковали ваши покупки в супермаркете, синеватая или голубоватая, то в пластике наверняка есть фталоцианин.

ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

Приключения фталоцианина меди начались в 1933 году, когда английский химик Патрик Линстед решил определить его атомную структуру. Для этого он воспользовался дифракцией рентгеновских лучей. Метод этот не относится к собственно микроскопии, потому что изображение молекулы получается «окольным путем». Само название приема говорит об использовании дифракции — явления, так мешавшего микроскопии. Просвечивая кристалл образца рентгеновскими лучами, получают геометрический образ, узлы которого расположены соответственно расстояниям между атомами, что и позволяет представить схему строения кристалла.

В молекулярном кристалле громоздятся миллиарды одинаковых молекул. Они почти недвижны просто потому, что двигаться некуда: соседние молекулы мешают. Эта их недвижность и позволяет получать изображения. Если кристалл тонкий, то видимый свет через него пройдет. Однако длины волн видимого света (400–800 нм) слишком уж велики, чтобы нести какую-то информацию: получается что-то вроде стрельбы из пушек по воробьям или раскалывания орехов бульдозером. Нужны волны много короче. Рентгеновские лучи годятся как нельзя лучше: длины волн соизмеримы с межатомными расстояниями внутри кристалла, то есть измеряются считаными нанометрами, если не меньше. Чтобы не вдаваться в историю, приведем лишь один пример. Рентгеновское излучение помогло выяснить структуру хлорида натрия (иначе поваренной соли): кристалл, оказывается, состоит из квадратных корзинок, а длина стороны квадрата — 0,4 нм. Собственно, это — расстояние между соседними атомами, точнее, ионами хлора и натрия.

Патрик Линстед привлек к своим исследованиям одного молодого ученого по имени Джон Робертсон, который после долгих вычислений выяснил, как устроен кристалл, состоящий из молекул фталоцианина меди, и понял, как построена сама молекула: это квадраты со стороной 1,3 нм.

ФТАЛОЦИАНИН МЕДИ НА ФОТОГРАФИИ

Работа всех нынешних электронных микроскопов основана на одном принципе. Металлическая, очень тонкая игла подводится к металлической пластинке. Если между иглой и пластинкой приложено электрическое напряжение достаточной величины, с иглы будут стекать электроны. И тогда то, что происходит в этом пространстве, будет зависеть от расстояния между иглой и пластинкой.

В 1930-е годы были изобретены «эмиссионно-полевой микроскоп» (или «автоэлектронный микроскоп») и «электронный микроскоп». И разгорелось ожесточенное и затяжное сражение между коллективами ученых, работающих с этими приборами. Воевали за первенство: кто кого опередит в соревновании за достижение атомного разрешения, то есть за выведение на экран изображения атома. В конце 1960-х годов один из отцов электронной микроскопии во Франции Гастон Дюпуи, выступая перед академическим собранием, заявлял: «Моя цель — увидеть сами атомы». Но впервые эту цель себе поставили — и гораздо раньше — два молодых немца, работавшие в лабораториях фирмы Telefunken (позднее — Siemens), звали их Эрвин Мюллер и Эрнст Руска.

Эрвин Мюллер всегда отличался любопытством и упрямством. И вот однажды он вознамерился доказать, да так, чтобы никто не посмел усомниться, что пучок электронов, излучаемых из некоторой точки, содержит информацию о расположении атомов в этой точке. Установив на достаточном удалении от этой самой точки люминесцентный экран, он надеялся получить увеличенную светящуюся проекцию расположения атомов — подобно тому, как высвечиваются силуэты в китайском театре теней. Чтобы проверить свою догадку, Мюллер придумал в 1936 году автоэлектронный микроскоп. Увы! Как он ни старался, получить изображение атомов не удавалось. Но однажды — это случилось уже в 1951 году — он пришел в лабораторию, и все у него с самого начала пошло наперекосяк: внутрь ограждения, где находилась установка, попало небольшое количество водорода. Загрязнение! А сам экспериментатор невзначай поменял полярность напряжения между иглой и пластинкой. И на кончике иглы появились ионы водорода. То есть пучок заряженных частиц теперь состоял не из электронов, а, пусть отчасти, из ионов водорода. И, попав на люминесцентный экран, они нарисовали… схему расположения атомов!

Мюллер продолжил свои эксперименты с более тяжелыми газами, выбирая те, что не так, как водород, охотно вступают в химические реакции, например гелий или неон, старательно подбирая при этом вольфрамовую иглу, и в конце концов добился того, что на экране появилось изображение тех атомов вольфрама, которые попали на кончик иглы. Таким образом Эрвин Мюллер первым получил изображение одиночного атома. Случилось это в 1955 году. А в 1991-м человек впервые сумел сдвинуть атом с места — иглой туннельного микроскопа. Это был Дон Эйглер, исследователь, работавший на IBM в Калифорнии. Но это уже совсем другая история, о которой рассказывалось в главе 3.

О том, что случилось после описанных опытов Мюллера, знают куда меньше. А ведь и он ввел, по своей воле или еще как — кто знает? — в эксперименты толику фталоцианина меди. На кончике иглы поместилось несколько молекул. На экране возникло знакомое изображение атомов вольфрама, но появились и какие-то странные пятнышки: каждое такое облачко делилось на четыре симметричные дольки. Расстояние между двумя атомами вольфрама на кончике иглы известно, значит, оно годится на роль эталона для определения размеров долек. Мюллер сравнил вычисленные значения с величинами расстояний, полученными Робертсоном с помощью дифракции рентгеновских лучей, — все сходилось! Так Эрвин Мюллер получил в 1957 году первое изображение одиночной молекулы (рис. 2). А фталоцианин меди еще раз выступил в качестве предмета и повода научной премьеры.

Рис. 2. Полученное на экране автоэлектронного микроскопа изображение нескольких молекул фталоцианина меди, расположившихся на вольфрамовой игле. Это изображение Э. Мюллер получил в 1957 году, работая в своей лаборатории при университете штата Пенсильвания. Каждая молекула выглядит как крестик с четырьмя четко различимыми дольками. Здесь воспроизводится фотография С люминесцентного экрана. использованного Э. Мюллером, на который проецировались электроны, излучаемые вольфрамовым острием и частично проходящие через молекулы

Затем Мюллер получил множество изображений иных молекул. В то время автоэлектронный микроскоп (эмиссионно-полевой микроскоп) лет на пятнадцать опережал своего соперника, которым был микроскоп электронный. Но эта техника — лишь вынужденная необходимость для некоторых предельных условий, складывающихся в определенных электрических полях и при определенных давлениях. Кроме того, автоэлектронный микроскоп не дает такого четкого представления об атомных структурах молекул, как установки с рентгеновскими лучами или электронный микроскоп. В наши дни используется автоионный (ионно-полевой) микроскоп для определения характеристик структуры игл на атомном уровне, что важно в работе с туннельным микроскопом.

РОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА

В начале 1930-х годов инженер Берлинского университета Эрнст Руска получил задание определить параметры, необходимые для контроля диаметра пятна, образованного пучком электронов, пропущенным через отверстие в металлической пластинке. Поначалу он решил воспользоваться соленоидом (тороидальной катушкой, которая, если по ее виткам течет электрический ток, действует как магнит), полагая, что соленоид сможет менять диаметр пучка электронов так, как линза фокусирует проходящие через нее лучи света. Затем он подумал, что аналогия между электронами и видимым светом сулит много больше, и построил просвечивающий микроскоп из источника электронов, соленоида и проекционного экрана (все это, понятно, было помещено в вакуум). Потом он поместил между соленоидом и экраном небольшой предмет — и соленоид повел себя на манер линзы в оптическом микроскопе. Так Руска получил увеличение в 14,4 раза и — изобрел электронный микроскоп.

Памятуя о теоретических ограничениях возможностей получения изображений с помощью света, Руска в глубине души надеялся, что электроны смогут обеспечить лучшее разрешение. Увы, в 1927 году Луи де Бройль опубликовал работу, ознакомившись с которой Руска приуныл: выходило, что с электроном, как и со всякой материальной частицей, связана некая волна. Руска так хотел обойти теоретические ограничения оптики — и на тебе: его микроскоп тоже подчиняется законам волновой физики, в частности, не свободен от явлений вроде дифракции. Но трудности его не остановили: в 1932 году Руска показал, что предел разрешения электронного микроскопа не хуже 0,22 нм. И воспрял духом: это обещало, в теории, возможность видеть атомы!

Так начинался тот спектакль. К концу 1930-х годов увеличение электронного микроскопа достигло 30 тыс. раз, а в 1950-е уже измерялось сотней тысяч раз. Чтобы увидеть атом, требовалось умножить эти цифры еще хотя бы на тысячу.

Колыбелью прогресса стала компания Telefunken: молодые ученые пытались решить сложнейшие технические задачи, параллельно развивая телевидение. И чего они только не пробовали: подбирали режим пропускания электронов через образец, преломление, сканирующие метания тонюсенькой электронной кисточки, сочетали все это… но увидеть атом не удавалось. Только в 1970 году на экране электронного микроскопа появились первые изображения атомов, но случилось это не в Германии, а в Соединенных Штатах, где создали электронный микроскоп в одно и то же время и просвечивающий, и сканирующий.

Рис. 3. Изображение сверхтонкого кристалла фталоцианина меди на экране просвечивающего электронного микроскопа, которое получил X. Хасимото в лаборатории токийского университета в 1974 году. На изображение, запечатленное на обычной фотографической пластинке пучком электронов, прошедшим через кристалл, наложена — в правой части снимка — структурная формула молекулы

В 1974 году на арену вновь вышла наша молекула фталоцианина меди. И вновь заставила заговорить о себе. X. Хасимото из Токийского университета избрал ее в качестве исследуемого образца, потому что в центре ее находится атом меди, который хорошо обнаруживается просвечивающим электронным микроскопом. Хотя тот же микроскоп не видел атомы углерода и азота, тоже присутствующие в молекуле, X. Хасимото рассчитывал, что ему удастся наблюдать правильную решетку, образованную атомами меди. Поместив кристаллик фталоцианина меди в свой микроскоп, он получил прекрасные изображения, к тому же уточнив подробности на автоионном микроскопе (рис. 3). У этой техники есть еще одно выгодное преимущество: она не требует создания каких-то особенных условий — высокого давления и т. п.; изображение наблюдается непосредственно, в отличие от метода, использующего дифракцию рентгеновских лучей.

ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

Во всех только что описанных микроскопах источник излучения заметно удален от экрана, на котором и наблюдаются результирующие изображения. А что, если приблизить иглу к металлическому экрану? Игла и экран оказываются обкладками конденсатора, которые могут быть электрически заряжены и между которыми может возникнуть напряжение. К примеру, при напряжении порядка 1 В на обкладках конденсатора скапливается несколько электронов (если расстояние между иглой и поверхностью поддерживается в пределах нескольких нанометров). Поскольку напряжение поляризации (напряжение между обкладками конденсатора) мало, электроны не стекают с иглы — в отличие от электронного микроскопа.

Но этот малюсенький конденсатор страдает одним изъяном: он так мал, что обкладки электрически — точнее, «электронно» (посредством электронов) — взаимодействуют через промежуток между иглой и поверхностью. Это значит, что электрон «не знает», на какой он обкладке. «Неведение» это квантовой природы, и выражается оно в токе утечки ничтожной силы, а само явление называется туннельным эффектом. При напряжении поляризации в 1 В и расстоянии между иглой и поверхностью в 1 нм сила тока утечки имеет величину порядка 1 нА и уменьшается по мере удаления иглы от поверхности. Хотя ток силой в наноампер кажется ничтожно малым, сама эта величина означает, что за секунду между иглой и поверхностью перемещается порядка 1010 электронов. Однако нашлись люди, превратившие этот порок в добродетель, — ими были Генрих Рорер и Герд Бинниг, работавшие в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе.

В конце 1970-х годов Рорер заинтересовался дефектами сверхтонких изолирующих пленок, нанесенных на поверхность металла или полупроводника. Размеры этих дефектов часто не превышали 10 нм, но они сильно вредили магнитной памяти и миниатюрным транзисторам. Однако в то время исследование строения этих изъянов с помощью любого микроскопа — во всяком случае, без разрушения самих дефектов — было невозможно.

Бинниг и Рорер решили как-то воспользоваться током утечки, возникающим из-за туннельного эффекта, который вполне мог сообщать и о качествах дефектов, и о расстоянии от кончика иглы до поверхности — речь, словом, шла об определении рельефа исследуемого образца. В работе к ним присоединился инженер-исследователь Кристоф Гербер, тоже трудившийся на IBM. Втроем они собрали из подвернувшихся под руку деталей прибор с очень тонкой и длинной иглой, которую можно было, по желанию, поднимать и опускать над поверхностью, и устройством для замера ничтожно малых токов — порядка наноампера. Они рассчитывали, что, сканируя поверхность иглой, то есть перемещая иглу над поверхностью так, чтобы покрыть всю ее площадь, и замеряя при этом силу туннельного тока, удастся построить, строка за строкой, все изображение обследуемой площадки, подобно тому как это происходит в сканирующем электронном микроскопе.

Рорер, Бинниг и Гербер строили пробный образец своего прибора три года. В 1981 году они экспериментально проверяли закон зависимости силы туннельного тока от расстояния между иглой и поверхностью. Оказалось, что сила тока уменьшается в 10 раз, если между иглой и поверхностью остается только 0,1 нм. Надо думать, для того чтобы уверенно называть такие цифры, требуется небывалая точность позиционирования иглы: нужно не только подвести иглу к поверхности, но и сохранять заданное расстояние по ходу сканирующих метаний — по горизонтали и по вертикали — иглы над поверхностью. Помогли три стерженька из материала, почти не деформирующегося под напряжением.

Сканирование производится при поддержании постоянной силы туннельного тока: игла поднимается над бугорками и опускается над впадинами сканируемой поверхности. Но если экспериментаторы рассчитывали обнаружить на обследуемой «гладкой» площадке своего образца правильную череду ступенек, то линии развертки, полученные осенью 1982 года, показали вереницу бугорков. Профиль, зарегистрированный прибором, отобразил точную атомную топографию просканированного кристалла! Так родился туннельный микроскоп, создатели которого в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике.

Из вышесказанного ясно, что туннельный микроскоп относится к микроскопам ближнего поля: кончик иглы удерживается близ обследуемой поверхности. Если нечаянно или еще почему-то игла коснется поверхности, сила тока мгновенно увеличится до величин порядка 100 мкА, что в сто тысяч раз больше туннельного тока. Прибор оснащен специальной амортизацией, оберегающей иглу от внешних механических колебаний.

После изобретения туннельного микроскопа удалось получить множество изображений различных металлических и полупроводниковых поверхностей и разрешить большое количество проблем кристаллографии. А через некоторое время по ходу совершенствования туннельного микроскопа был создан микроскоп «на атомной силе»: для получения изображения используются силы, возникающие при взаимодействии иглы и сканируемой поверхности. Это силы притяжения — ван-дер-ваальсовы силы — и силы отталкивания, проистекающие из принципа непроницаемости атомов. Таким образом, в полку микроскопов ближнего поля — пополнение.

Вернемся к нашей молекуле фталоцианина меди. Игла туннельного микроскопа сканирует поверхности и создает изображения. А что будет, если на поверхность «выложить» какие-нибудь атомы или молекулы? А вдруг они окажутся настолько непрозрачными для электронов, замешанных в туннельном эффекте, что возникнет какой-никакой, но образ — этакие протуберанцы или сполохи на поверхности?

Джим Гимжевски, решив проверить это предположение, выбрал в качестве образца фталоцианин меди. Он поместил кучку молекул этого вещества на серебряную поверхность, зная, что серебро очень хорошо проводит электричество. Затем он окунул в скопление молекул иглу туннельного микроскопа и, убедившись, что несколько из них прилипло к игле, попытался перенести молекулы в другое место. И ему это удалось: он приблизил иглу к выбранному участку и стряхнул с нее несколько молекул, которые затем беспорядочно рассредоточились по поверхности. Потом он очистил иглу, слегка повысив приложенное к ней напряжение, и приступил к эксперименту: передвигая иглу близ того места, где он разбросал молекулы фталоцианина меди, Гимжевски смог получить изображение — первое изображение одиночной молекулы, полученное на туннельном микроскопе (рис. 4).

Рис. 4. Изображение молекулы фталоцианина меди на поверхности кристалла серебра, полученное в 1987 году Дж. К. Гимжевски на туннельном микроскопе в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе. Четыре дольки соответствуют тем четырем долькам белых крестиков, что видны на изображении, полученном в 1957 году на автоэлектронном микроскопе (см. рис. 2). Размеры участка на фото: 5 нм x 5 нм

И оно удивительно напоминало картинку, полученную Эрвином Мюллером тридцатью годами ранее. Однако оба опыта как бы противоположны друг другу: у Мюллера молекула была на игле, у Гимжевски — на поверхности. Вот как начиналось новое приключение, открывавшее неслыханные возможности, совершенно недоступные как автоионному, так и электронному микроскопам. Подумать только: притронуться к молекуле кончиком иглы, которая, в сущности, продолжает палец исследователя…