Кристиан Жоаким - Нанонауки. Невидимая революция

• Название: Нанонауки. Невидимая революция
• Автор: Кристиан Жоаким
• Издательство: КоЛибри
• Жанр: Научпоп
• Год: 2009
• ISBN: 978-5-389-00631-7

Кристиан Жоаким — один из известнейших специалистов по физике твердого тела, директор Центра структурных исследований и разработки новых материалов (CEMES) в Тулузе. Ответственный руководитель группы Nanosciences. Вместе с журналисткой Лоранс Плевер он рассказывает о том, что такое наномир, как выглядят его обитатели, чем отличаются нанонауки от нанотехнологий и что они сулят человечеству в ближайшем будущем.

---

Первый транзистор, изобретенный в конце 1940-х годов, убедительно показал, что твердотельный прибор способен усиливать электрический ток. Пятьдесят лет спустя труды таких первопроходцев, как Ари Авирам и Марк Ратнер, поставили вопрос о возможности такого явления, как молекулярная электроника. Ответ представлялся очевидным: если окажется, что одиночная молекула тоже может усиливать ток, есть смысл работать над созданием молекулярной электроники. Поэтому заинтересованные исследователи принялись изучать возможности молекулярных структур, которые вроде бы обещали какое-то решение возникшей задачи. В 1997 году мы с Джимом Гимжевски показали одиночную молекулу, усиливающую электрический сигнал. Это, конечно, не привело к свержению микроэлектроники с ее престола, но стало, по крайней мере для нас, заметным и значительным шагом вперед.

Собственно, мы собрали электрическую схему, в которой молекула фуллерена находится под иглой туннельного микроскопа. Мы знали, что, если слегка надавить иглой на молекулу, ее сопротивление резко снизится. Небольшое изменение одного параметра (здесь — расстояния между иглой и поверхностью) оборачивается большим изменением другого параметра (в нашем случае — сопротивления молекулы). Воспользовавшись этим эффектом, мы построили усилитель, в котором приращение напряжения на выходе в четыре раза превышает приращение напряжения на входе.

Мы думали о том, чтобы выстроить несколько таких молекул-усилителей в линейку, соединив их последовательно или параллельно, чтобы возникла настоящая электронная схема, способная, к примеру, вычислять. Жалко, но значения электрических сопротивлений, при которых молекула-усилитель оказывается работоспособной, таковы, что соединительные проводники просто не могут быть молекулами. Это значит, что соединительные провода будут макроскопическими, то есть их размеры заставят вынести все провода «за ограду», расположив их вне той площадки, которую занимает туннельный микроскоп. Мы попробовали сделать провода помельче, чтобы они поместились в ограде, но вся наша миниатюризация ни к чему не привела. Тогда, вместо того чтобы мучиться с миниатюризацией оборудования, окружающего молекулу, мы решили поменять само оружие и отказались от идеи гибридизации — не хотелось нам совмещать в одной схеме молекулярные компоненты с какими-то микроскопическими деталями. И задались вопросом: а нельзя ли так «раздуть» молекулу, чтобы она вместила в себя все необходимые сопротивления и провода, их соединяющие? И чтобы получилась полная электрическая схема. Вот как мы вступили на дорожку «монументализации».

И этот разрыв с исторической идеей гибридной молекулярной электроники вывел нас на колею, проложенную Форрестом Картером. Не то чтобы я просто и безболезненно расстался с молекулярной электроникой — как-никак, я отдал ей добрых двадцать лет жизни, начав еще в конце 1970-х. Я изучил немало меленьких молекул, которые, если их разместить на поверхности металла или полупроводника, демонстрируют самые разные ориентации (хотя значения энергии почти одинаковы). И оказываются «естественными» выключателями (прерывателями тока). В самом деле нетрудно, перемещая иглу микроскопа, переходить от одной ориентации к другой, получая, таким образом, переключатель на одиночной молекуле. Но попытка собрать из таких молекул-переключателей серьезную схему наталкивается на то же препятствие, которое мешало нашему усилителю на молекуле. Отныне главным для нас стал новый вопрос: а какова вычислительная мощность одиночной молекулы — по сравнению с аналогичным показателем цепи, объединившей мириады подобных молекул?

Мысль — или мечта — о новой молекулярной электронике, которая бы позволяла объединять все нужные функции в одной-единственной молекуле, должна была избавить ученых от предрассудка, мешавшего признать за единичной молекулой способность выступать в качестве чего-то более сложного, чем простейший прибор. Освобождение от шор расширяет поле зрения, так что, при желании, можно увидеть, что одиночной молекуле по плечу и куда более сложные обязанности. Мы убедимся, еще в этой главе, что за этим прорывом прячется иной, более глубокий, прорыв, и природа его — количественная, точнее, квантовая. Как бы то ни было, я продолжал в том же духе, хватаясь за все более громоздкие молекулы и превращая их во все более сложные установки и приборы. Пример тому — «молекула-морзянка».

КОРОМЫСЛО… ИЛИ КАЧЕЛИ?

Про азбуку Морзе и радистов, «работающих на ключе», знает всякий поклонник фильмов о Диком Западе: оператор в высокой кепке козырьком назад с бешеной скоростью выстукивает на телеграфном ключе сообщение, передающееся из здания вокзала по телеграфным проводам куда-то в синюю даль. Сам телеграфный ключ — это такое коромысло, качающееся туда-сюда: оператор давит на рукоятку этого рычага-коромысла, под которым установлена пружина, и рычаг замыкает электрические контакты, а когда давление на рукоятку ослабнет, пружина вернет рычаг в исходное положение, и контакты разомкнутся. Таким образом, возникает вереница электрических импульсов, длинных и коротких, они и передаются по проводам.

Не так давно придумали молекулу, которая годится на роль телеграфного ключа. Коромыслом служит веточка молекулы, удерживаемая в положении, параллельном поверхности. Конец этой ветви закреплен с помощью химической связи (вот вам и пружина) на молекуле с четырьмя ножками, поддерживающими саму молекулу на центральной площадке. Второй конец коромысла висит в воздухе — и, касаясь его иглой микроскопа, оператор превращается в телеграфиста позапрошлого века.

Сама молекула длиной менее 1,5 нм — из ряда самых сложных на сегодня молекул-приборов, а ее химический синтез занял несколько лет. Работоспособна она только на металлической поверхности: когда крошечное химическое соединение на свободном конце коромысла приближается к поверхности, то электронное состояние какого-то участка соединения меняется, и это вызывает модуляцию электронной плотности в коромысле, что обнаруживается и на поверхности, даже на немного большем удалении от того участка, который находится непосредственно под концом коромысла.

Выходит, мало сказать, что молекула — это лаборатория, в которой ставится эксперимент: на самом деле опыт производится с атомами, с группами атомов, находящимися на некоторой поверхности. Число этих атомов можно увеличить, но если оно и возрастет, то не намного превысит то количество, которое требуется для создания экспериментальной установки. Так, Дон Эйглер поставил эксперимент с атомным магнетизмом внутри эллиптической ограды, построенной на поверхности медного кристалла из 36 атомов кобальта: игла туннельного микроскопа передвигала по этой поверхности атом за атомом, пока не возник замкнутый овал. Атомы кобальта были выбраны на роль штакетин в заборе, потому что они отражают квантовые волны, возникающие из-за беспорядочного передвижения несвязанных электронов, блуждающих по медной поверхности. Длина такой волны 1,5 нм, и это удобно для наблюдения волновой интерференции внутри загородки размером в несколько нанометров, огражденной атомами кобальта. И Дон Эйглер получил изображения этой интерференции электронных волн на своем туннельном микроскопе — вроде кругов, расходящихся по воде: концентрические окружности разного диаметра. Картинки победоносно облетели всю планету. Еще бы — более чем убедительное доказательство волнового характера тех состояний, в которых пребывают электроны на поверхности металла. А потом Дон Эйглер слегка изменил условия опыта, поместив, с помощью той же иглы микроскопа, в фокус эллипса намагниченный атом. И обнаружил магнитное эхо… в другом фокусе, где никакого атома не было. Налицо магнитный мираж — это эффектное явление возникает благодаря переносу магнетизма из одного фокуса эллипса в другой через электронное облако, висящее над металлической поверхностью. Разумеется, подобное явление можно воспроизвести в любых масштабах и с любыми длинами волн, хоть световых, хоть звуковых. Достаточно подобрать эллиптический резонатор подходящего размера: желательно, чтобы величина резонатора была соизмерима с длинами интерферирующих волн (и чтобы вдоль резонатора укладывалось целое число четвертей волны).

МЕХАНИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ-МАШИНЫ

Обратимся теперь к механике. Чтобы молекула смогла стать механической установкой, ее следует оснастить всеми деталями, необходимыми для выполнения стоящих перед нею задач. Это означает, что такие молекулы будут сложнее тех, что уже описаны нами, потому что понадобятся различные механические узлы (и для их закрепления сильные химические связи). В 2001 году мы придумали молекулу-тележку с ручкой и назвали ее «молекулярной тачкой». Длина этого агрегата — 1,2 нм. У нее спереди два молекулярных колеса диаметром 0,7 нм, и крепятся они, как положено, на оси; сзади же — ножки, такие же, как у макроскопической тачки. И наконец, два рукава сзади — вместо рукояток. Вот что удается смастерить с помощью всего лишь одной иглы туннельного микроскопа. Первым такую тележку соорудил Гвеналь Рапенн в CEMES в Тулузе, потом Леонгард Гриль и Франческа Мореско из Берлинского университета, начавшие «предпусковые и пусковые испытания», по ходу которых испытывались качества тележек. Предвыпускная фаза состояла в выпаривании молекул — чаще всего это выглядело как прокаливание порошка в небольшом тигле. Тигель обычно разогревали до 150–250 °C, размещая его так, чтобы часть молекул попадала на поверхность. Но чтобы прокаливать молекулы побольше и получать молекулярные тачки, нужны температуры порядка 350–450 °C. В таких условиях, однако, 95 % молекул-тележек ломается или на выходе из тигля, или уже на поверхности. А из тех молекул, которые все-таки целыми добираются до поверхности, есть такие, которые выглядят тележками с двумя, тремя, а то и четырьмя колесами. Многие, хоть и целы, но все равно не годятся, из-за слишком короткой оси, например. Словом, все это — сломанные или полуразобранные «тачки», с теми или иными дефектами. А поскольку эти осколки и обломки тележек оставляют тигель сильно раскаленным, то, попадая на поверхность, они не только образуют беспорядочные нагромождения атомов, но и взаимодействуют между собой, в том числе химически, в результате чего возникают все новые и новые — и совсем малые — молекулы.