Уникальная задача: как ученым из IBM удалось отсканировать рельеф молекулы

Несмотря на то что название корпорации стойко ассоциируется у большинства с компьютерами, многонациональный научный коллектив Z? rich IBM Research ведет исследования в самых разных областях, в том числе имеющих отношение к фундаментальным основам бытия.

Комплекс выкрашенных в белый цвет малоэтажных зданий, изящный, но непритязательный дизайн внутренних помещений, подвальные этажи для лабораторий, где оборудование любит тишину еще больше, чем деньги в швейцарских банках. Лаборатории, кстати, не производят впечатление очень просторных — свободного места для прогулок маловато. Поначалу с трудом верится, что именно в таких условиях вершится большая наука.

Вот и лаборатория, где занимаются низкотемпературной микроскопией с применением сканирующего туннельного (STM) и атомного силового (AFM) микроскопов, совсем крошечная. А ведь именно здесь, в этих стенах впервые удалось получить четкое изображение химической структуры молекулы. Об этом было объявлено осенью 2009 года, и тогда же публике предъявили четкую картинку молекулы пентацена — органического соединения, в молекулярной структуре которого присутствует пять шестиугольных бензольных колец, что, конечно же, выглядело очень зрелищно.

Собственно, атомы можно было разглядеть с помощью мощных электронных микроскопов и раньше, проблема всегда была в том, что никак не удавалось зафиксировать межатомные связи — слишком они слабы. С использованием AFM задача оказалась решенной.

Лаборатория оборудована под землей — здесь почти не ощущаются вибрации грунта и здания. То, что нам показывают в качестве микроскопа, являет собой сборку из одной сферической и двух цилиндрических камер — все вместе высотой метра полтора. «На самом деле сам микроскоп совсем не такой большой, — объясняют нам сотрудники лаборатории. — Он размером приблизительно с человеческий кулак». Вся остальная конструкция служит для выполнения трех задач. Во-первых, поверхности, на которых исследуются образцы, требуют сверхчистоты, и эта чистота должна поддерживаться на протяжении длительных экспериментов. Для этого с помощью насоса в камере, куда помещают микроскоп, создается высокий вакуум.

Во-вторых, молекулам, которые являются объектами исследования, при комнатной температуре свойственны быстрые колебания, и, чтобы «утихомирить» препарат, приходится охлаждать камеру почти до абсолютного нуля (5 К, минус 268°С). Для этого используется жидкий гелий, содержащийся в хромированном цилиндре. В-третьих, поскольку некоторые паразитные вибрации в помещении лаборатории все равно присутствуют, существует система специальной подвески микроскопа внутри камеры, которая эти вибрации гасит.

Две разновидности сканирующего зондового микроскопа — STM и AFM — были созданы в стенах цюрихской лаборатории IBM, а основоположниками этих разработок стали немец Герд Карл Бинниг и швейцарец Генрих Рорер, удостоенные в 1986 году Нобелевской премии. Если оптический микроскоп работает с отраженным от объекта светом, а электронный «подсвечивает» его потоком электронов, то в случае со сканирующими зондовыми микроскопами происходит нечто совсем иное. Зонд AFM, представляющий собой подвижный рычаг (кантилевер) с иглой (микроскопическим конусом, острой частью обращенным к объекту исследования), как бы ощупывает структуру атомов и молекул, подобно тому, как незрячий читает выпуклости шрифта Брайля.

Игла, испытывая на себе за счет сверхмалого расстояния силы взаимодействия с атомами, считывает рельеф поверхности, что приводит к колебаниям кантилевера. Они, в свою очередь, фиксируются, например, лазерным датчиком, данные которого переводятся в изображение.

Если речь идет о сканирующем туннельном микроскопе, то на иглу зонда подается напряжение, и рельеф поверхности считывается за счет изменения параметров тока, который протекает между иглой и исследуемым препаратом в результате эффекта квантового туннелирования. Величина тока, в частности, зависит от плотности в той точке исследуемого образца, на которую наведена игла зонда.

При этом весь процесс вовсе не молниеносный — сканирование объекта может занимать до 20 часов. Кроме того, технология требует прецизионной системы развертки и, что немаловажно, приближения острия иглы зонда к размеру исследуемого объекта. В идеале это острие должно состоять из одной молекулы, и в лаборатории IBM именно этого и удалось добиться.

А начиналось так: попытки отсканировать с помощью AFM уже упомянутую молекулу пентацена заканчивались тем, что возникающие между иглой и образцом электростатическая сила и сила Ван-дер-Ваальса разрушали молекулу. Тогда удалось подцепить иглой одну молекулу моноксида углерода (CO), известного в быту как «угарный газ», которая и стала настоящим «острием». За счет свойств обеих молекул действие мешавших сканированию сил компенсировалось.

Таким образом, молекула пентацена была отсканирована с очень высоким разрешением. Здесь, однако, кроется и некая ограниченность данного метода — ведь трюк с молекулой угарного газа не сработает, если молекула препарата будет иметь другой состав, то есть всякий раз придется искать свое решение.

Но все это уже день вчерашний. Уже в прошлом году ученые IBM исследовали с помощью AFM молекулу нанографена и получили не просто рисунок структуры, но и четкую картину и порядок атомных связей внутри молекулы. Выяснилось, что эти связи не только различаются по силе, но и имеют разную длину. Исследованиям на AFM также подверглась молекула баксминстерфуллерена — аллотропного 60-атомного соединения углерода, имеющего форму мяча и напоминающего по структуре геодезические шары и купола, придуманные американским архитектором Бакминстером Фуллером. Во всех этих исследованиях также применялась игла зонда с молекулой моноксида углерода в качестве острия.

Разумеется, опыты с зондовыми микроскопами, коль скоро они проводятся в стенах лабораторий IBM, все-таки имеют определенное отношение к перспективам компьютерной индустрии. Дело в том, что новые материалы на основе углерода, в частности графен, рассматриваются в качестве грядущей замены кремния для будущих электронных чипов.

В этом отношении особую важность представляет разработка методов манипулирования подобными материалами фактически на атомном уровне. Кстати, в 2012 году IBM объявила о создании магнитной памяти, один бит которой будет иметь материальную основу в виде всего 12 атомов. Правда, такая сборка носит сегодня чисто экспериментальный характер и сработана при сверхнизких температурах с помощью зондового микроскопа.

Поэтому сложно ожидать, что 12-атомная память может появиться в прикладных устройствах в обозримом будущем. А возможно ли хранить информацию с помощью всего одного атома? Теоретически такая возможность существует.

Туннельный сканирующий микроскоп не позволяет получать такие сверхчеткие сканы молекул, как AFM, однако его плюс в возможности активного воздействия на молекулу-препарат. В лаборатории IBM в Цюрихе нам показывают результаты эксперимента по манипулированию одним атомом. Адсорбированные атомы золота (то есть атомы, помещенные на кристаллическую поверхность, в которую они не могут диффундировать) располагаются на тончайшей пленке из хлорида натрия (поваренная соль), которая, в свою очередь, выстилает собой подкладку из меди. Все атомы на снимке выглядят как светлые кружочки на сером фоне.

Теперь к одному атому подводится игла зонда и подается напряжение. Атомы снова сканируются, и на полученной картинке хорошо видно, что тот из них, который подвергся манипуляции, обрел хорошо заметный темный ореол. Что же случилось?

Нейтральный прежде атом получил от микроскопа добавочный электрон, а вместе с ним отрицательный заряд. «В таком состоянии, — объясняет нам сотрудник лаборатории IBM, — атом в принципе может находиться неопределенно долгое время. Зато ничто не мешает с помощью того же микроскопа вернуть его в нейтральное состояние». А если мы можем управлять двумя состояниями некоего объекта, меняя в любой момент и по своей воле одно состояние на другое, то что это, как не готовая логическая ячейка емкостью в один бит?