У відповідь на виклик дифракційної межі, що не дозволяє за допомогою стандартних оптичних мікроскопів роздивлятися об'єкти розміром менш довжини світлової хвилі, наукою створено вже чимало приладів, що дають можливість цю межу обійти. Мікроскопи нинішнього покоління дозволяють не тільки роздивлятися структури молекул, а й дослідити шляхи маніпулювання об'єктами субнаноміру.
Кажуть, «гроші люблять тишу», і, напевно, Швейцарія - одна з найкращих ілюстрацій до цієї тези. Тиша, розміреність і багатство панують на берегах Цюрихського озера, де в оточенні живописних гір живе в основному досить заможна частина людства. Цікаво, однак, що такий же антураж чудово (судячи з результатів) підходить і великій науці. Тут же, в Цюріху, в районі Рюшлікон ще з середини 50-х років минулого століття розташувалася одна з одинадцяти на сьогоднішній день лабораторій корпорації IBM.
Незважаючи на те, що назва корпорації стійко асоціюється у більшості з комп'ютерами, багатонаціональний науковий колектив Z? rich IBM Research веде дослідження в різних областях, в тому числі які мають відношення до фундаментальних основ буття.
Саме атомний силовий мікроскоп вперше дозволив «намацати» рельєф хімічних молекул і отримати чітке зображення їх структури. Тепер за допомогою AFM досліджуються атомні зв'язки, а також розподіл зарядів та інші внутрішньомолекулярні процеси.
Комплекс пофарбованих у білий колір малоповерхових будівель, витончений, але невибагливий дизайн внутрішніх приміщень, підвальні поверхи для лабораторій, де обладнання любить тишу ще більше, ніж гроші в швейцарських банках. Лабораторії, до речі, не справляють враження дуже просторих - вільного місця для прогулянок замало. Спочатку насилу віриться, що саме в таких умовах вершиться велика наука.
Не більше кулака
Ось і лабораторія, де займаються низькотемпáною мікроскопією із застосуванням скануючого тунельного (STM) і атомного силового (AFM) мікроскопів, зовсім крихітна. Адже саме тут, у цих стінах вперше вдалося отримати чітке зображення хімічної структури молекули. Про це було оголошено восени 2009 року, і тоді ж публіці пред'явили чітку картинку молекули пентацену - органічного з'єднання, в молекулярній структурі якого присутні п'ять шестикутних бензольних кілець, що, звичайно ж, виглядало дуже видовищно.
На схемі показано пристрій одного з типів атомного силового мікроскопа для дослідження живих тканин
Власне, атоми можна було розгледіти за допомогою потужних електронних мікроскопів і раніше, проблема завжди була в тому, що ніяк не вдавалося зафіксувати міжатомні зв'язки - занадто вони слабкі. З використанням AFM завдання виявилося вирішеним.
Лабораторія обладнана під землею - тут майже не відчуваються вібрації ґрунту і будівлі. Те, що нам показують в якості мікроскопа, являє собою збірку з однієї сферичної і двох циліндричних камер - всі разом висотою метра півтора. "Насправді сам мікроскоп зовсім не такий великий, - пояснюють нам співробітники лабораторії. - Він розміром приблизно з людський кулак ". Вся інша конструкція служить для виконання трьох завдань. По-перше, поверхні, на яких досліджуються зразки, вимагають надчистоти, і ця чистота повинна підтримуватися протягом тривалих експериментів. Для цього за допомогою насоса в камері, куди поміщають мікроскоп, створюється високий вакуум.
По-друге, молекулам, які є об'єктами дослідження, при кімнатній температурі властиві швидкі коливання, і, щоб «втихомирити» препарат, доводиться охолоджувати камеру майже до абсолютного нуля (5 К, мінус 268 ° С). Для цього використовується рідкий гелій, що міститься в хромованому циліндрі. По-третє, оскільки деякі паразитні вібрації в приміщенні лабораторії все одно присутні, існує система спеціальної підвіски мікроскопа всередині камери, яка ці вібрації гасить.
Щупаємо чадним газом
Два різновиди скануючого зондового мікроскопа - STM і AFM - були створені в стінах цюріхської лабораторії IBM, а основоположниками цих розробок стали німець Герд Карл Бінніг і швейцарець Генріх Рорер, удостоєні в 1986 році Нобелівської премії. Якщо оптичний мікроскоп працює з відображеним від об'єкта світлом, а електронний «підсвічує» його потоком електронів, то у випадку зі скануючими зондовими мікроскопами відбувається щось зовсім інше. Зонд AFM, що являє собою рухомий важіль (кантилевер) з голкою (мікроскопічним конусом, гострою частиною зверненим до об'єкта дослідження), як би відчуповує структуру атомів і молекул, подібно до того, як незрячий читає випуклості шрифту Брайля.
Голка, випробовуючи на собі за рахунок надмалої відстані сили взаємодії з атомами, зчитує рельєф поверхні, що призводить до коливань кантилевера. Вони, у свою чергу, фіксуються, наприклад, лазерним датчиком, дані якого переводяться в зображення.