Безграничное будущее: нанотехнологическая революция - [31]
Приведет ли микротехнология к нанотехнологиям?
Можно ли использовать бульдозеры для изготовления наручных часов? Самое большее, они могут помочь построить заводы, на которых будут производиться часы. Хотя могут быть сюрпризы, это хорошая аналогия того, как соотносятся микротехнологии и молекулярные нанотехнологии. Становится понятно, что для достижения инженерных целей на молекулярном уровне необходим подход «снизу вверх».
Каковы основные инструменты, используемые для молекулярной инженерии?
По определению путь к молекулярной нанотехнологии должен лежать через молекулярную инженерию. Работая в разных дисциплинах, руководствуясь разными целями, исследователи добиваются прогресса в этой области. Химики разрабатывают методы, способные построить точные молекулярные структуры, никогда прежде не наблюдаемые. Биохимики учатся строить структуры знакомых видов, таких как белки, чтобы создавать новые молекулярные объекты.
Впрочем, большинство инструментов, используемых химиками и биохимиками, не слишком впечатляющи. Они работают за лабораторными столами, заваленными лабораторной посудой, бутылями, трубками и тому подобным, смешивая, перемешивая, нагревая и разливая жидкости — в биохимии жидкость обычно представляет собой воду со следами растворенного в ней материала. Периодически немного жидкости помещается в большую машину, после чего остается полоска бумаги с напечатанной на ней диаграммой. Как можно догадаться из этого описания, исследования в молекулярных науках обычно намного дешевле, чем исследования в физике высоких энергий (с ее многомиллиардными ускорителями частиц) или исследования в космосе (с ее многомиллиардными космическими аппаратами). Химию называют «малой наукой», не только из-за размера молекул.
Химики и биохимики развивают свою область главным образом путем получения новых молекул, которые могут служить инструментами, помогая строить или изучать другие молекулы. Дальнейшие успехи возможны после появления новых приборов, новых способов изучения молекул и определения их структуры и поведения. Еще больше достижений следует ожидать от применения новых программных инструментов, новых компьютерных методов для прогнозирования поведения молекулы с определенной структурой. Многие из этих программных инструментов позволяют исследователям заглядывать с помощью монитора в моделируемые молекулярные миры, очень похожие на те, которые были представлены в последних двух главах.
Из этих областей именно биомолекулярная наука наиболее активно развивает инструменты, которые могут построить нанотехнологию, потому что биомолекулы уже формируют молекулярные машины, включая устройства, напоминающие грубые ассемблеры. Этот путь легче всего представить и, безусловно, он может привести к успеху, но нет никакой гарантии, что он будет самым быстрым: научные группы, занимающиеся другими дисциплинами, вполне могут опередить их. Исследования проводятся во всем мире, и прогресс не за горами.
Физики недавно представили новые перспективные инструменты для молекулярной инженерии. Это проксимальные зонды, в том числе сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ). Проксимально-зондовое устройство помещает острый наконечник в непосредственной близости от поверхности и использует его для зондирования (а иногда и модификации) поверхности и любых молекул, которые могут быть к ней прикреплены.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, слева) предназначен для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением, позволяющим наблюдать отдельные атомы, анализируя скачки тока в зазоре между наконечником и поверхностью. Атомно-силовой микроскоп (АСМ, справа) воспринимает контуры поверхности механическим контактом и оптически: луч лазера направляется на внешнюю поверхность, отражается и попадает на фотодетектор.
Как работает СТМ?
СТМ подводит острую электропроводящую иглу к электропроводящей поверхности, почти касаясь ее. Игла и поверхность электрически соединены (см. левую сторону рисунка 4), так что ток будет течь, если они касаются, например, закрывая переключатель. Но в какой момент мягкие, нечеткие атомы «соприкасаются»? Оказывается, что ток обнаруживается, когда контактируют всего два атома — нечеткие полосы едва перекрываются — один на поверхности и один на кончике иглы. Осторожно перемещая иглу возле поверхности и сохраняя ток, протекающий с крошечной постоянной скоростью, STM может отображать форму поверхности с большой точностью. Естественно, что для того, чтобы поддерживать постоянный ток, игла должна подниматься и опускаться, проходя над отдельными атомами.
СTM был изобретен Гердом Биннигом и Генрихом Рорером, физиками-исследователями, изучающими поверхностные явления в исследовательских лабораториях IBM в Цюрихе, Швейцария. Заявку на патент они подали в середине 1979 года на основании результатов своей работы в 70-х годов. В 1982 году они получили изображения поверхности кремния, показывающие отдельные атомы. Надо отметить, что важность их работы была признана не сразу: первая научная статья Рорера и Биннига о новом инструменте была отклонена для публикации на том основании, что она «недостаточно интересна». В настоящее время конференции, где обсуждается СТМ, привлекают сотни заинтересованных исследователей со всего мира.
