ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 17.03.19
    ТЕКСТ: Антон Сененко
    Ілюстрації: Ірина Донська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Побачити атом

    Сканувальний тунельний мікроскоп – пристрій, який у найближчому майбутньому допоможе вченим виробляти щось із нічого.

    Мрійники пророкують нам світ, де усього буде вдосталь, бо науковці створять спеціальні машини, які атом за атомом вироблятимуть людству те, чого йому бракує. Щоб отримати новий телефон, велосипед або діамант, вам потрібно буде підійти до такої машини, як до скриньки бажань, і натиснути кнопку. Далі спеціальні маніпулятори (малесенькі будівельні крани) атом за атомом зберуть предмет докупи.

     

    Так, це фантастика і, можливо, утопія. Але дещо з цього наші сучасні науковці вже вміють. Використовуючи обладнання, що коштує сотні тисяч доларів, вони викладають з окремих атомів літери, слова, фігури та малюнки.

     

    З точки зору пересічного жителя Землі це виглядає як розвага, але саме завдяки таким простим маніпуляціям людство вчиться створювати Щось майже з Нічого. Аби зрозуміти, як відбувається цей процес, необхідно для початку усвідомити, як взагалі людина може побачити атом.

     

    Я впевнений, що всі тримали в руках оптичний мікроскоп. Якщо ні, то більшість точно розуміє, як працюють окуляри чи контактні лінзи. За допомогою мікроскопа можна годинами роздивлятися маленьких комах, клітини рослин, інфузорій тощо. 

     

    Проте побачити атом навіть із найпотужнішими оптичними лінзами неможливо. Людина бачить навколишній світ за допомогою променів світла, що розповсюджуються прямолінійно до предмета і відбиваються від нього на сітківку ока. За предметом формується зона тіні, бо світло туди потрапити не змогло. Але чим менший об’єкт нам треба побачити, тим дивніше світло себе поводить. Може статися так, що сонячний промінь огинатиме ту штуку, що нас зацікавила, він не відбиватиметься в очах, а штука не створюватиме тіні.

     

    Справа в тому, що промінь світла – це не просто якась енергія чи частинки. Насправді світло – це ще й хвиля, яка розповсюджується у просторі. Уявіть, що ви здалеку дивитеся на море. Воно схоже на безмежне абсолютно гладеньке дзеркало. Але якщо підійти до нього ближче, виявиться, що поверхня насправді хвиляста. Якщо морські хвилі висотою 1 метр будуть накочуватися на десятиметровий пірс, то вони, безумовно, будуть від нього відбиватися. Якщо ж пірс буде висотою усього 10 см, то ця ж хвиля, наштовхнувшись на нього, просто покотиться далі, ніби нічого не було на її шляху. Отже, для будь-якої хвилі важливим є розмір предмета, з яким вона взаємодіє.

     

    Розмір хвилі видимого світла складає близько 380-740 нанометрів (нанометр – одна мільярдна частина метра). Тож за допомогою оптичного мікроскопа наше око здатне бачити лише предмети, більші за вказані розміри. Усі менші об’єкти перебуватимуть у зоні вічної темряви, бо світло навіть «не здогадуватиметься» про їхнє існування.

     

    Якщо трішки поміркувати, то можна дійти до висновку, що для візуалізації дуже маленьких об’єктів потрібно знайти якесь таке «чарівне світло», довжина хвилі якого була б меншою за 500 нм. І науковці на це спроможні. Ще 1931 року Ернст Руска (у майбутньому – лауреат Нобелівської премії) здогадався використати замість світлового променю промінь електронів.

     

    Таким чином було створено електронний мікроскоп, і людство нарешті побачило атоми. Якщо проводити порівняння з оптичним мікроскопом, то в електронному замість лампочки як джерела світла використовується катод – джерело пучка електронів. Замість оптичних лінз – магнітні, які відхиляють та фокусують цей пучок. Електронний мікроскоп використовується і сьогодні, але має певні недоліки.

    Уявіть, що ви здалеку дивитеся на море. Воно схоже на безмежне абсолютно гладеньке дзеркало. Але якщо підійти до нього ближче виявиться, що поверхня в дійсності хвиляста

    З розвитком фізики, математики, а також їх практичного інструментарію – технологій, 1982 року Генріх Рорер та Герд Бінніг (також лауреати Нобелівських премій) спричинили справжню революцію в спогляданні людством мікросвіту (якщо бути точними, то це вже був наносвіт). Вони створили сканувальний тунельний мікроскоп.

     

    За складною назвою криється досить простий принцип. Припустимо, ви плаваєте по озеру на човні і точно знаєте, що дно озера є пласким, а глибина всюди однакова. Ваше завдання – не пірнаючи, віднайти на дні скриню зі скарбами. У вас є мотузка з каменем на одному кінці. Методика пошуку скрині проста. Плаваючи по озеру «змійкою», за допомогою мотузки з каменем постійно перевіряти глибину. Вона усюди повинна бути однаковою, крім того місця, де камінь впаде безпосередньо на скриню.

    На зображенні ви бачите, як за допомогою сканувального тунельного мікроскопа з хаотично розташованих атомів ксенону (інертний газ) науковці виклали назву компанії IBM.
    Фото: IBM RESEARCH

    У випадку сканувального тунельного мікроскопа все відбувається аналогічно. Наприклад, на аналіз надано поверхню з нанесеним атомом, молекулою чи чимось іще дуже маленьким, що не можна розгледіти в оптичному мікроскопі. Поверхня в даному випадку є дном озера і заміняє предметне скельце на уроках біології. Вона лише допомагає побачити те, що нас цікавить. Далі ви наближаєте до неї тонке металеве вістря з одним атомом на кінці (ніби мотузка з каменем) та зависаєте на віддалі декількох доль нанометра над поверхнею. Через цей проміжок починає текти струм. У будь-якому місці поверхні, де вона чиста, величина цього струму буде сталою так само, як однаковою буде глибина озера в тих місцях, де немає скрині.

     

    Далі ви починаєте рядок за рядком сканувати всю поверхню. У тому місці, де знаходиться атом, струм зміниться на певну величину (атом зменшує відстань між вістрям та поверхнею, тому струм тектиме краще чи гірше). Так ви поступово окреслюєте краї атома, а комп’ютер оцифровує зображення стрибків тунельного струму і згодом видасть зображення.

     

    Недоліком таких систем є відносна повільність для дослідження об’єктів, які мають більші за окремі атоми розміри, але надто маленькі для оптичного мікроскопа.

     

    Тому науковці винайшли атомно-силовий мікроскоп. Принцип його дії пояснимо аналогією з людьми, які мають вади зору і  тростинкою прокладають собі шлях: кантилевер – малесенький гвіздочок, закріплений на пружній балці, постійно торкається досліджуваної поверхні і відчуває ті місця, де вона нерівна. Так само людина в темних окулярах постійно простукує перед собою дорогу, шукаючи бордюри, перешкоди тощо. Система стеження, керована комп’ютером, відслідковує рухи кантилевера і складає мапу амплітуд. По чистій поверхні кантилевер мчатиме, як по склу, а в місцях, де присутні об’єкти пошуку – підстрибуватиме.

     

    Звісно, принципи роботи цих систем виглядають дуже просто, але насправді вони керуються надскладною електронікою та програмним забезпеченням, що створені найкращими фізиками та програмістами. 

     

    З моменту теоретичного обґрунтування можливості візуалізації атомів пройшло майже 100 років, а з моменту появи терміну «атом» – понад дві з половиною тисячі років. Так, поступ науки довгий і складний, але він того вартий. Бо як інакше можна створити скриньку бажань? 

    ТЕКСТ: Антон Сененко
    Ілюстрації: Ірина Донська
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: