Книга Нанонауки. Невидимая революция - Лоранс Плевер

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 C32H16CuN8 — 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!