Микроскопия вчера, сегодня, завтра
Манипуляции с отдельными атомами означают, что можно сконструировать искусственные структуры нанометровых размеров, используя отдельные атомы как кирпичики. Первое приложение, по-видимому, будет касаться хранения информации, ведь компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается определенным состоянием элемента среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Упрощенно говоря, элемент памяти показывает, включено что-то или выключено, присутствует что-либо или отсутствует и т.д. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 1000 атомов. Если такая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США (а это громадное книгохранилище) уместится на одном диске диаметром 25 см. Для сравнения скажем, что лазерных компакт-дисков для этого потребовалось бы 250 000 штук.
Cканирующий туннельный микроскоп явился прототипом (базовой моделью) целого семейства еще более совершенных сканирующих микроскопов ближнего поля с зондами-остриями. Необходимость дальнейших разработок диктовалась необходимостью избавиться от основного недостатка базового микроскопа – электропроводности объектов, а ведь даже проводники и полупроводники часто покрыты изолирующим слоем оксида. Не проводят ток и биологические материалы.
В 1985 г. в США был создан атомно-силовой микроскоп (рис. 15). Здесь образец уже не обязательно должен быть проводящим. Как и в сканирующем туннельном микроскопе, над объектом перемещается крошечное острие – заостренный до атомных размеров (и даже до размера одного атома!) осколок алмаза, закрепленный на полоске из металлической фольги.
Электронное облако острия алмаза оказывает давление на электронные облака отдельных атомов образца, порождая отталкивающую силу, меняющуюся в соответствии с рельефом поверхности. Эта сила отклоняет кончик острия, перемещения которого регистрируются не электрически (путем измерения туннельного тока), а оптически – с помощью луча лазера, который отражается от верхней части держателя на фотодиодное чувствительное устройство. Механизм обратной связи реагирует на изменения оптического хода луча и воздействует на пьезоэлектрический преобразователь, регулирующий высоту, на которой находится образец, так что отклонение держателя остается постоянным. В соответствии с перемещениями образца строится контур поверхности. (Острие, как игла фонографа, как бы считывает рельеф.) Фольга действует как пружина, прижимая кончик острия к исследуемой поверхности.
Хотя в принципе первые атомно-силовые микроскопы могли давать изображение поверхности любого непроводящего или проводящего образца, давление острия (массой порядка миллионной доли грамма) было достаточно сильным и искажало форму многих биологических молекул или смещало их. Давление острия увеличивается из-за наличия тонких пленок воды и загрязнений, неизбежно собирающихся как на кончике острия, так и на самом образце. При сближении острия и поверхности эти загрязнения входят в соприкосновение, и силы адгезии обуславливают взаимное притяжение острия и объекта, увеличивая, таким образом, отслеживающее давление острия. Недавно это давление удалось снизить в 10 раз, опуская острие и образец в каплю воды. Отметим также, что оптическая регистрация движения острия обеспечивает более надежное измерение зазора, чем обратная связь по туннельному току, и более мягкое и в то же время плотное прикосновение острия. В результате этих усовершенствований исследователям удалось даже зарегистрировать молекулярный процесс в его развитии – полимеризацию белка фибрина, основного компонента свернувшейся крови.
Однако даже усовершенствованные конструкции атомно-силовых микроскопов оказывают все же достаточно большое давление на объект, что может привести к загрязнению или повреждению последнего. Поэтому было разработано новое семейство сканирующих микроскопов с зондами-остриями, среди которых основным следует считать лазерный силовой микроскоп (рис. 16). «Сила», которую чувствует этот микроскоп, – это малая сила притяжения между исследуемой поверхностью и зондом (кремниевым или вольфрамовым), находящимся от нее на расстоянии от 2 до 20 нм. Она складывается из силы поверхностного натяжения воды, конденсирующейся в зазоре между острием и образцом, и слабыми силами Ван дер Ваальса. Притягивающая сила очень мала – в 1000 раз меньше, чем межатомное отталкивание в атомно-силовых микроскопах. При перемещении острие вибрирует с частотой, близкой к резонансной. Лазерно-силовой микроскоп регистрирует силу межатомного взаимодействия по ее воздействию на динамику вибрирующего зонда.
Немного больше о технологиях >>>
Особенности советской и американской науки
Что
мы имели?
Сейчас
много пишется о разрушении советской науки, о тяжелом положении, в котором
оказались ученые и научные сотрудники бывшего СССР. И это действительно так.
Чтобы разобраться в этом, рассмотрим хотя бы схематически организацию советской
науки.
Одной
из к ...
Происхождение ощущений
Воспринимаемое
субъектом внутреннее состояние, не выражаемое через свойства материальных
объектов, и есть "идеальное" ощущение.
...
