Безграничное будущее: нанотехнологическая революция - [32]

В 1986 году — значительно быстрее, чем это обычно происходит — Бинниг и Рорер были удостоены Нобелевской премии. Шведская академия так объяснила свой выбор: «сканирующий туннельный микроскоп является совершенно новым изобретением, и мы знакомы пока еще только с началом его использования. Однако ясно, что СТМ открывает совершенно уникальные возможности для изучения вещества». СТМ больше не является экзотикой: Компания «Digital Instruments» из Санта-Барбары, Калифорния, продает свою систему (Наноскоп) по почте, гарантируя атомное разрешение или возврат денег. В течение трех лет после их коммерческого внедрения были приобретены сотни СТМ.

Как работает АСМ?

Связанный с ним атомно-силовой микроскоп (справа на Рис. 4) еще проще по своей концепции: иголка зонда мягко прижимается к исследуемой поверхности пружиной и перемещается по ней. Инструмент воспринимает движения пружины (обычно оптически), которая движется вверх и вниз всякий раз, когда наконечник попадает на атом на поверхности. Кончик «чувствует» поверхность так же, как кончик пальца в моделируемом молекулярном мире. АСМ был изобретен Биннигом, Куэйтом и Гербером в Стэнфордском университете и IBM San Jose в 1985 году. Важность АСМ была немедленно признана после успеха СТМ. Среди других преимуществ следует отметить, что он работает с непроводящими материалами. В следующей главе будет описано, как устройства на основе АСМ могут быть использованы в качестве молекулярных манипуляторов при разработке молекулярных нанотехнологий. Сообщается, что АСМ уже стали коммерчески доступными.

Обратите внимание, что АСМ и СТМ не так просты в использовании, как может показаться по описаниям. Например, плохой наконечник или шероховатая поверхность могут помешать разрешению атомов, и еще — не рекомендуется стучать по столу, когда работают такие чувствительные инструменты. Кроме того, ученые часто испытывают трудности с отождествлением того, что они наблюдают, даже когда получают хорошее изображение.

Могут ли проксимальные зонды перемещать атомы?

Для тех, кто привык думать в терминах нанотехнологий, СТМ сразу же выглядела многообещающей не только для наблюдения за атомами и молекулами, но и для манипулирования ими. Эта идея вскоре получила широкое распространение среди физиков. Как заявил Кэлвин Куэйт в «Physics Today» (1986): «Некоторые из нас считают, что сканирующий туннельный микроскоп будет совершенствоваться… что однажды [он] будет использоваться для записи и чтения моделей молекулярного размера». Этот подход был предложен как путь к молекулярной нанотехнологии в «Машинах создания» (1986).

К настоящему времени появились многочисленные научные публикации, посвященные использованию наконечников STM и AFM для царапания, плавления, эрозии, вдавливания и другого изменения поверхностей в нанометровом масштабе. Эти операции действительно перемещают атомы, но недостаточно их контролируют. Они совершают массовые операции в крошечном масштабе — одна тонкая царапина шириной в несколько десятков атомов вместо миллиардов, которые возникают в результате обычных операций полировки.

Могут ли проксимальные зонды более точно перемещать атомы?

В 1987 году Р. С. Беккер, Я. А. Головченко, Б. С. Шварцентрюбер из «AT&T Bell Laboratories» объявили, что использовали СТМ для доставки небольших капель на поверхность из германия. Считалось, что каждая капля состоит из одного или нескольких атомов германия. Вскоре после этого исследователи IBM Альмаден Джон Фостер, Джейн Фроммер и Патрик Арнетт достигли важного результата в перемещении молекул на основе СТМ. Из этой команды Фостер и Арнетт приняли участие в первой Форсайт-конференции по нанотехнологиям, где рассказали нам о подробностях своей работы.

Фостер пришел в IBM из Стэнфордского университета, где он получил докторскую степень по физике и преподавал в аспирантуре. Работа с СТМ стала одним из его первых проектов в корпоративном мире. Он называет своего коллегу Арнетта бывшим «полупроводниковым жакеем», который был участником в создании чипов в лабораториях IBM в Берлингтоне и Йорктауне. Помимо своей докторской степени в области физики, Арнетт обладал опытом инженерной работы.

Арнетт объясняет, что они пытались сделать: «Мы хотели посмотреть, можно ли сделать что-то в атомарном масштабе, чтобы создать механизм для хранения информации и надежного ее использования». Ответ был утвердительным. В январе 1988 года журнал «Nature» опубликовал заметку, в котором сообщал об успехе прикрепления органической молекулы к определенному месту на поверхности, используя СТМ для образования химической связи путем подачи электрического импульса через наконечник. Оказалось, что, создав и разместив однажды молекулу, можно будет вернуться и использовать другой импульс напряжения от наконечника, чтобы изменить свойства молекулы: увеличить ее, частично стереть или полностью удалить.

В IBM быстро разобралась с возможностью коммерческого использования, как объяснил Пол М. Хорн, исполняющий обязанности директора по физическим наукам в «Thomas J. Watson Research Center»: «Это означает, что вы можете создать элемент хранения информации размером с атом. В конечном счете, это может привести к хранению информации в десять миллионов раз более плотное, чем все, что мы имеем сегодня». Более широкое видение было дано другим исследователем Джоном Петика в журнале «Nature»: «Частичное стирание, о котором сообщает «Foster et al.» подразумевает, что часть молекул может быть преднамеренно удалена, а атомы их «отредактированы», тем самым демонстрируя один из идеалов нанотехнологии».