Наука

  ▪   Олег Фея

Побачити атом

Сучасні комп’ютерні процесори складаються з мільярдів транзисторів розміром у нанометри. Технологічний процес 14 нм, поширений під час виготовлення процесорів, дає змогу розміщувати на квадратному міліметрі плати десятки мільйонів транзисторів.
Матеріал друкованого видання
№ 12 (644)
від 19 березня

Побачити такі маленькі об’єкти за допомогою оптичних мікроскопів неможливо. Їхня роздільна здатність обмежена довжиною хвилі світла — від 400 нм для фіолетового й до 700 нм для червоного світла. Це вдесятеро більше за розміри транзисторів. До того ж фізичні явища в таких пристроях відбуваються надзвичайно швидко, і щоб їх розуміти, потрібно знімати процеси зі швидкістю до атосекунд (10–18 с), що в мільярд мільярдів разів менше за секунду. Дослідники з Інституту Макса Планка в Штутгарті придумали спосіб «ухопити» квантові процеси: у статті, опублікованій торік у журналі Science, вони поєднали ультракороткі лазерні імпульси зі скануючим тунельним мікроскопом та описали камеру для зйомки надшвидких фізичних явищ, рухів електронів та атомів. І це лише один із прикладів того, що робить сучасна мікроскопія.


Відомості про перші мікроскопи датуються XVI століттям, коли нідерландські виробники окулярів Ганс та Захарій Янсени склали дві лінзи, щоб збільшити зображення. Згодом прототип оптичного мікроскопу виготовив Галілей, який на той час уже змайстрував телескоп. На розповсюдження мікроскопів як наукових приладів вплинули роботи Роберта Гука й Антоні ван Левенгука. Перший випустив книжку «Мікрографія» із зображеннями мікросвіту, а також придумав термін «клітина», розглядаючи кору коркового дуба. Левенгук почав виготовляти мікроскопи небачених до того можливостей. З 25 пристроїв, які він сконструював, до нашого часу збереглося 9, що збільшують зображення в 275 разів.


Електронні мікроскопи сьогодні здатні збільшувати в 50 млн разів. Перший прототип створили 1931 року німецький фізик Ернст Руска та інженер Макс Кнолл, працівники Берлінського технічного університету. Їхня ідея базувалася на відкритті Луї де Бройлем хвильових властивостей електронів. До 1920-х вважалося, що електрон — заряджена частинка, тоді як з розвитком квантової фізики стало зрозумілим, що за певних умов електрон показуватиме властивості хвилі. Роздільна здатність мікроскопів обмежена довжиною хвиль, на яких вони працюють. Видиме світло з довжинами хвиль 400–700 нм не дає змоги побачити процеси, що відбуваються на рівні атомів. Ідея Руска та Кнолла полягала в тому, щоб замінити світло електронами, які фокусувалися б магнітними лінзами. Довжину хвиль електронів легко регулювати, пропускаючи їх через електричне поле, і зробити в десятки тисяч разів меншими за хвилі видимого світла.

 

Читайте також: DeepMind: оптимістичний погляд у майбутнє


Просвічуючий, або трансмісійний, електронний мікроскоп (TEM) Руска- Кнолла був загалом подібний до звичайного оптичного мікроскопа. Катод із вольфраму або гексабориду лантану емітує електрони, які розганяються потужним електричним полем (до 100 кВ) і потрапляють у систему з магнітних лінз. Магнітне поле фокусує електрони на досліджуваному зразку. Вони проходять крізь зразок і потрапляють на флуоресцентний екран або ж ПЗЗ-матрицю, де вже реконструюється зображення зразка. Щоб електрони не зіштовхувалися з молекулами газів, утрачаючи енергію, у мікроскопі створюють високий вакуум.


Перший мікроскоп Руска-Кнолла збільшував лише в 400 разів, та вже через два роки наступні моделі перевершили будь-які оптичні мікроскопи. Згодом групу Руска взялася фінансувати компанія Siemens, що дало змогу 1939 року почати комерційний випуск нових мікроскопів. Нині рекорд роздільної здатності TEM — 0,39 Ангстрем (Ангстрем — одна десятимільярдна частина метра, вдесятеро менша за нанометр), його встановила група Девіда Мюллера з Університету Корнелла наприкінці 2018 року.


1937-го в тій самій компанії Siemens Манфред фон Арденне створив скануючий трансмісійний електронний мікроскоп (СТЕМ). На відміну від винаходу Руска, який фокусував електрони у відносно невелику ділянку зразка, СТЕМ уже міг керувати їхнім потоком, щоб отримати зображення всього зразка. Мікроскоп Арденне мав меншу роздільну здатність, аніж TEM, і Siemens не поставила цю розробку в пріоритет. Під час повітряного рейду союзників на Берлін 1944 року лабораторію Арденне знищили, і він більше не повертався до цієї теми. Незалежно від Арденне СТЕМ винайшов 1942-го працівник Radio Corporation of America Владімір Зворикін, емігрант з Російської імперії. Цікаво, що у своїй еволюції як професіонала він пройшов той самий шлях, що й Ернст Руска, тільки навпаки. Руска почав з мікроскопії, а згодом зайнявся розвитком телебачення. Зворикін же запатентував кілька винаходів, зокрема кінескоп, завдяки яким телебачення стало масовим, а потім зайнявся мікроскопією, втіливши в СТЕМ уже надбані технологічні рішення. Скануючий електронний мікроскоп використовують не тільки для дослідження в галузі матеріалознавства, включно з транзисторами, сонячними батареями, паливними елементами, а й для отримання чітких зображень біологічних об’єктів.


Якщо електронні мікроскопи загалом схожі на оптичні: замість звичайних лінз — магнітні, замість світла — потік електронів, то скануючий тунельний та атомно-силовий мікроскопи мають принципово іншу будову. На початку 1980-х Ґерд Карл Бінніґ та Генріх Рорер з дослідницького центру IBM у Цюриху побудували перший скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), за що вже 1986-го отримали Нобелівську премію з фізики разом з похилим Ернстом Руска. В СTM до поверхні зразка підносять маленьку голку — кантилевер. Між голкою та зразком створюють електричну напругу в кілька вольт. Електрони з голки завдяки тунельному ефекту «перестрибують» на поверхню, і, вимірюючи силу такого струму, мікроскоп реконструює зображення поверхні. Тунельний ефект полягає в тому, що квантова частинка з невеликою імовірністю може «перескочити» потенційний бар’єр, на подолання якого «чесним» способом у неї не вистачає енергії. Завдяки тунельному ефекту горить Сонце: температури й тиску в центрі зірки не вистачає, щоб подолати кулонівське відштовхування між атомними ядрами й розпочати термоядерний синтез, проте ймовірність тунелювання ядер одне до одного й запуску реакції збільшується.

 

Читайте також: 10 проривних технологій 2020


СТМ дав змогу не тільки отримувати зображення поверхонь провідників з атомарною роздільною здатністю, а й переміщувати окремі атоми. Взимку 1989 року фізик з лабораторії IBM у Каліфорнії Дональд Айґлер досліджував взаємодію молекул газів з металічними поверхнями. Він охолодив метал до температури в кілька кельвінів і відстежував поведінку атомів ксенону на поверхні. Айґлер працював уночі: тоді вища ймовірність отримати чіткіші зображення, бо вібрації, які виникають внаслідок руху автомобілів на вулиці, трамваїв або потягів метро, впливають на голку мікроскопа. Айґлер заснув і забув вимкнути струм у пристрої. Вранці він помітив, що атоми ксенону поряд з голкою пересунулися. Науковець перевірив, чи не примарилося це йому вві сні, і вже навмисно тримав голку поблизу атомів. Вони таки рухалися під дією тунельного струму! Через рік Айґлер з колегою виклали 35 атомами ксенону одне з найвідоміших зображень у фізиці — назву компанії IBM. Воно стало символом неймовірних можливостей з маніпулювання окремими атомами, а також чудовою рекламою корпорації, яка щедро витрачає гроші на фундаментальні дослідження. 2013 року група науковців з IBM записала «найменший у світі фільм»: вони пересували 65 молекул чадного газу поверхнею міді, створюючи кадри розміром 45×25 нм. Незважаючи на простий сюжет, «Хлопчик і його атом» зібрав на YouTube 2 млн переглядів у перші ж два дні й став на той час одним з найпопулярніших відеороликів платформи.


Принцип дії атомно-силового мікроскопа (АСМ) дещо інший. Він також підносить близько до поверхні мікроскопічний кантилевер, проте вимірює не тунельний струм, а електричну взаємодію ван дер Ваальса між голкою та поверхнею. Під час руху вздовж поверхні голка відхиляється під дією міжмолекулярних сил, що спричиняє відхилення лазерного променю, скерованого на неї. Комп’ютерні алгоритми згодом обробляють рух променя й реконструю­ють поверхню. Це можна порівняти з пересуванням сліпої людини, яка паличкою простукує шлях перед собою.


2009 року фізик Лео Ґросс зі швейцарського відділу IBM на удосконаленому атомно-силовому мікроскопі вперше отримав зображення міжатомних зв’язків. Це вже субатомна роздільна здатність. Через три роки група Ґросса, досліджуючи молекулу фулерена, показала розподілення зарядів в атомах вуглецю та встановила міжатомну відстань між ними. 2013-го інша група дослідників — з Каліфорнійського університету в Берклі — показала перебіг хімічної реакції бензолу на сріблі під час нагрівання. Вони зробили велику кількість зображень до й після реакції, що змонтували в невеликий фільм. Модифікований АСМ використовують у медицині, наприклад для визначення точкових мутацій РНК під час раку. У листопаді 2017 року в Nature вийшла стаття, автори якої, використовуючи методи атомно-силової мікроскопії, показали в реальному часі дію CRISPR/Cas9, новітнього методу редагування геному.


Сучасні мікроскопи — складні й коштовні технологічні пристрої, у яких мало що спільного з винаходами науковців XVII століття, коли мікроскопія тільки починалася. Вони дають змогу зазирнути в такі безодні квантового світу, побачити які неможливо вже хоча б тому, що довжина хвилі світла занадто велика для цього. 

Якщо ви помітили помилку, виділіть необхідний текст і натисніть Ctrl + Enter, щоб повідомити про це редакцію.