ЛЮБОЗНАЙКИН В МИРЕ КВАНТОВ

Андрей Иванович Касьян

Пятьдесят лет назад тогда еще молодой ученый Любознайкин отправился в таинственную страну Квантов. В дорогу он захватил механику Ньютона, инструменты, силовые линии. Главное, что его интересовало, - это основные принципы, на которых построен удивительный мир. Что же он увидел тогда, в 1957 году ("Техника-Молодежи", № 5, 1957 г.)? В этом мире его жители (атомы, электроны) существуют одновременно и как волны, и в виде компактных образований - частиц. Любознайкин увидел одну такую приближающуюся частицу - электрон. Издалека электрон выглядел как маленький шарик, но вблизи оказался похожим на волну. Механика Ньютона твердила, что такого не может быть: либо частица, либо волна. Любознайкин пытался измерить первый попавшийся атом. Но этот голубчик тоже проявлял волновые свойства и выглядел то толще, то тоньше, не желая "измеряться". Любознайкин догадался, все дело в знаменитом "соотношении неопределенности".

Любознайкин решил продолжить изучение атома. Отметив электрон, который, как он думал, вращался вокруг ядра этого атома, он попытался изучить характер движения, но испытуемый тут же исчез и сразу появился в другом месте. И так все время. Правда, электрон далеко не удалялся от атома. Любознайкин понял, что в мире Квантов отсутствует привычное движение по траекториям. Возмущению механики Ньютона не было конца! - Мне в этом безумном мире делать нечего, - сказала она.

Слово "атом" по-японски, написанное атомами железа на поверхности меди

Много воды утекло с тех пор. Любознайкин решил опять отправиться в микромир и посмотреть чего там нового. В наши дни ученые могут заглянуть в эти заповедные места. Например, современный прибор - сканирующий туннельный микроскоп - позволяет увидеть даже отдельные атомы.

Туннельный микроскоп базируется на другом принципе. Его изобретатели Г. Бинниг и Г. Ройер использовали явление прохождения электрона сквозь потенциальный барьер. Если в обычном мире мячик не может проникнуть сквозь забор, только перескочить, то в квантовом мире это не так. Частица может с некоторой вероятностью проникнуть через забор, не переваливая через него, т.к. она обладает волновыми свойствами.

Кольцо из 48 атомов железа на поверхности никеля, созданное с помощью туннельного микроскопа

Основная составная часть туннельного микроскопа - микрозонд, который размещается на очень маленьком расстоянии от поверхности образца. Этот зазор и образует туннельный промежуток. При подаче напряжения на зонд (около вольта) возникает туннельный ток. Это напряжение очень маленькое и не может просто вытянуть электроны из образца. Но с некоторой вероятностью электроны преодолевают барьер (промежуток) и перескакивают на зонд. Поскольку этот ток зависит от химических свойств поверхности образца, то появляется возможность исследования электронных свойств. Для получения изображения зонд скользит вдоль поверхности, повторяя рельеф (величина тока фиксируется). Перемещение зонда осуществляет нанодвигатель, прототип которого изобрел Р. Янг в 1966 г. Одной из составных частей этого двигателя является пьезокерамический материал (кантилевер), изменяющий размеры под действием приложенного напряжения. Этот двигатель позволяет позиционировать наноинструмент с точностью до десятых долей нанометра. Разрешающая способность туннельного микроскопа достигает сотых долей нанометра.

Вначале считалось, что туннельный микроскоп может работать только в вакууме. Оказалось, что изображение можно получить и на воздухе, но только образцы должны быть токопроводящими. Однако возможно изучение белковых молекул, вирусов, расположенных на токопроводящей подложке. Современная технология позволяет, например, вводить некоторые молекулы (цистеин) в конструируемые метки (пептиды). В результате можно получать те или иные белковые структуры.

Два точечных дефекта, приводящих к образованию круговых стоячих волн

Следующим шагом в развитии сканирующей зондовой микроскопии стало создание еще одного уникального прибора. Атомно-силовой микроскоп позволяет исследовать как проводящие, так и диэлектрические образцы. Его особенностью является возможность работы в жидкости, что важно для исследования биологических образцов.

Существует два режима работы атомно-силового микроскопа: в статике и в динамике. В статическом контактном режиме зонд постоянно находится в контакте с поверхностью образца. Динамичный режим более деликатный - наконечник зонда слегка колеблется вверх и вниз в соответствии с рельефом. Важным применением этого микроскопа явились наблюдение структуры ДНК и отслеживание динамики нитей актина в живых клетках.

Зондовые микроскопы можно применять для коррекции поверхности материалов. Любознайкин сам увидел, как с помощью зонда на поверхность осаждались нужные атомы.

В области медицины нанотехнологии могут произвести революцию. Сегодня главная задача - это доставка лекарства в наноконтейнерах. В будущем необходимо будет создать нанороботов, которые смогут путешествовать по организму, проходить через барьеры и доставлять клеткам лекарства. Новые перспективы открывают достигнутые успехи в генотерапии. Здесь лечение состоит в "починке" дефектного гена. Самую большую трудность составляют эффективная и безопасная доставка хорошего гена к цели.
Итак, мы видим, что в настоящее время появилась возможность на атомарном уровне вмешиваться в любые процессы и создать фундамент для всех областей науки и технологий.

(Продолжение следует)