ВЗГЛЯД В МИКРОМИР:

И.В. Яминский

ВЗГЛЯД В МИКРОМИР:
ОТ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ – ДО ЖИВЫХ КЛЕТОК

Сканирующая зондовая микроскопия — это совокупность методов определения с помощью различных микрозондов локальных механических, электрических, магнитных и других свойств поверхности. Результатами измерений этих методов являются, как правило, трехмерные изображения поверхности исследуемых объектов с пространственным разрешением в доли нанометров.

Изобретение сканирующего туннельного микроскопа — первого из семейства зондовых микроскопов — оказалось неожиданным даже для подготовленных специалистов.

Первый зондовый микроскоп — сканирующий туннельный микроскоп — был изобретен в 1981 г. сотрудниками щвейцарского отделения Исследовательского центра фирмы IBM Гердом Биннигом и Хайнрихом Рорером. Они предприняли попытку конструирования прибора для проведения спектроскопических исследований участков поверхности, размер которых менее 10 нм. В результате эта работа увенчалась созданием уникального микроскопа с возможностью визуализации отдельных атомов. В 1986 г. Г.Биннигу и Х. Рореру за изобретение туннельного микроскопа была вручена Нобелевская премия по физике.

С помощью туннельного микроскопа можно произвести интересные наблюдения. Например, обнаружить, что атомы кристалла на поверхности имеют другую упаковку, чем в объеме. На поверхности кристалла может происходить перестройка атомов, обусловленная тем, что происходит замыкание свободных связей атомов внешнего слоя кристалла. Такая картина — реконструкция поверхности — характерна для кристаллического кремния и многих других материалов. В экспериментах можно заметить периодические изменения в плотности электронных состояний вблизи моноатомных ступенек или группы атомов.

Туннельный микроскоп применяют в научных и практических исследованиях не только для изучения свойств поверхности объектов, но и для целенаправленной модификации поверхности различных материалов. С помощью иглы микроскопа можно осуществлять литографию — нанесение заданного рисунка на поверхность. Яркой демонстрацией метода является осаждение и удаление отдельных атомов на поверхности, а также их перемещение на поверхности подложки. Так, в 1991 г. Эйглер с сотрудниками, перемещая зондом атомы ксенона по поверхности никеля, составил слово IBM. Для написания буквы I было использовано всего 8 атомов ксенона, а букв В и М — по тринадцать атомов!

	Атомная структура поверхности высоко-ориентированного пиролитического графита. Размер изображения: 17´ 17´ 2 A³
	Плотноупакованная молекулярная структура монослойной пленки стеариновой кислоты, адсорбированной на поверхность графита. Размер изображения: 20´ 20´ 5 A³
	Атомная структура поверхности природного дисульфида молибдена. Размер изображения: 24´ 24 A² Перепад по высоте — 0,5 нА

Рис.1 Визуализация атомной и молекулярной структуры поверхностей твердых тел методом туннельной микроскопии.
Наблюдения проведены с помощью сканирующего туннельного микроскопа “Скан-8” (Москва, Центр перспективных технологий)

	СТМ-изображение поверхности золотой пленки, напыленной на стекло. Размер изображения: 5000´ 5000´ 100 A³
	СТМ изображение поверхности никелевой пленки, напыленной на стекло. Размер изображения:3600´ 3600´ 34 A³

Рис.2 СТМ-изображения поверхности металлических пленок
Наблюдения проведены с помощью сканирующего туннельного микроскопа “Скан-8” (Москва, Центр перспективных технологий)

Размер изображения: 3000´ 3000´ 300 A³

Рис.3 СТМ-изображение липосом фосфатидилхолина на поверхности золотой подложки
Наблюдения проведены с помощью сканирующего туннельного микроскопа “Скан-8” (Москва, Центр перспективных технологий)

Сканирующий туннельный микроскоп — это уникальный прибор для исследования поверхности с рекордными возможностями. На зеркальных поверхностях пленок золота или никеля, нанесенных на ровную подложку термическим испарением в вакууме, с помощью туннельного микроскопа можно легко увидеть зернистую структуру с размером кластера в 10–30 нм. Сканирующий туннельный микроскоп пригоден для визуализации биологических структур, например, — липосом (бислойных мембран, образующих сферическую поверхность). Туннельный микроскоп позволяет наблюдать образцы в различных условиях: на воздухе, в вакууме, в растворах и электролитах.

Изобретатели сканирующего туннельного микроскопа Г. Бинниг и Х. Рорер писали в 1986 г.: “Мы искренне верим, что красота атомных структур послужит стимулом к применению данного метода к решению тех задач, где он сможет принести наибольшую пользу человечеству”.

Прошедшее десятилетие показало, что зондовые микроскопы нашли широкое применение в научных исследованиях в различных областях физики, химии, биологии, медицины и материаловедения. Зондовые микроскопы применяют в качестве контрольно-измерительной аппаратуры при производстве сложных интегральных схем и перспективных носителей информации (магнитные, магнитооптические и лазерные диски).