Нанонауки. Невидимая революция - Жоаким Кристиан

Приложение I

Коротенькая история микроскопа

Увидеть молекулу через увеличительное стекло невозможно, никакой лупе это не под силу. Размер молекулы воды — 0,3 нанометра, то есть 0,3 от миллионной доли миллиметра. Молекула бензола побольше — 0,5 нм. Состоящие из углерода, кислорода и водорода молекулы липидов и глицинов еще крупнее — до 1 нм. А состоящие из аминокислот молекулы белка вдесятеро больше — с десяток нанометров. ДНК — вообще молекула-великан, «макромолекула», длина которой доходит до многих микрон, а если такую скрученную в спираль молекулу расплести, она растянется на многие метры. Но даже эту воистину гигантскую молекулу в лупу увидеть невозможно.

Какой же прибор взять, чтобы все-таки углядеть молекулу? Оптический микроскоп позволяет благодаря лучам света увидеть в объектив увеличенное изображение малюсенького объекта. В наши дни микроскопы с увеличением в тысячу раз продаются в гипермаркетах. За какую-то сотню евро можно наслаждаться созерцанием волосков на лапках блохи и крошечной живности, кишащей в капле воды, или заняться разглядыванием фацетного глаза мухи. Словом, видеть то же, что и Роберт Гук, Антони ван Левенгук, Галилей — первые исследователи, заглянувшие в трубу микроскопа еще в XVII веке.

Глядя в такой микроскоп, вы увидите паутинку или волос диаметром около 50 мкм такими, словно бы диаметр вырос до 5 см. Так что? Если молекула воды «вырастет» в 1000 раз, то есть до 0,3 мкм, то, значит, ее можно будет увидеть? Увы! Что бы вам ни говорили знатоки микроскопов, знайте: изображение молекулы воды никогда никто в объективе микроскопа не видел — и никогда не увидит. Виноваты свойства света: волна света разлагается и преломляется (принято говорить о «дифракции»), проходя через любой объект, величина которого соизмерима с длиной волны. А видимый свет — это электромагнитные волны длиной около 0,1 мкм. Изображение в этом случае расплывается или вообще пропадает из объектива.

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.

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.

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.