IBM и молекулярные связи
Эпохальное изобретение
Как большинство из нас помнит из школьного курса химии, молекула состоит из двух и более атомов. Выражается это химической формулой: например, в молекуле воды два атома водорода и один атом кислорода. Но каким образом атомы в молекулах «держатся» между собой? Как выглядят химические связи между ними?
Ученым из компании IBM удалось различить химические связи внутри молекул с помощью атомно-силовой микроскопии (noncontact atomic force microscopy, AFM). Луч лазера, направляемый на внешнюю поверхность микромеханического зонда, отражаясь, попадает на фотодетектор, и ученые при этом регистрируют отклонения. С помощью AFM удалось также установить кратность и длину связей. До этого понятие «связи» между атомами в молекуле и ее свойства (например, длина) были рассчитаны только теоретически, прямых наблюдений не было. Таким образом, IBM сделала эпохальное изобретение, увидев то, чего ранее не видел никто.
Для наблюдения за связями был реализован следующий механизм. Ученые взяли единичную молекулу угарного газа (монооксида углерода, СО) и присоединили ее к медному наконечнику щупа микроскопа. В качестве вещества, в молекуле которого изучались связи, был выбран фуллерен, аллотропная модификация углерода, представляющая собой выпуклый замкнутый многогранник, в вершинах которого находятся атомы. Внешне это похоже на углеродный «шарик».
Миниатюрный «щуп» из молекулы угарного газа в эксперименте ученых IBM действовал приблизительно по той же схеме, по которой работает считывающая головка в проигрывателе, который воспроизводит виниловые пластинки. Он вибрирует. Но если в случае с виниловыми пластинками колебания передаются на динамик, то в случае со щупом для исследования связей формируется изображение. Для этого используется лазер, который рисует изображения вибраций. Фактически молекула угарного газа используется в качестве мощнейшего увеличительного стекла, доходя до размеров атома. Именно поэтому удалось различить разницу между длинами связей в молекуле (притом что эти длины измеряются в пикометрах). Практическим измерениям в рамках эксперимента предшествовали теоретические квантовомеханические расчеты.
Одно ограничение у метода «молекулярного щупа» все же есть: во многих молекулах межмолекулярное взаимодействие может исказить точную картину, поэтому пришлось выбирать такое вещество, где эффекта межмолекулярного взаимодействия не наблюдается.
Что касается практического применения изобретения, то оно открывает путь ко все большей миниатюризации аппаратного обеспечения – вплоть до использования отдельных атомов и молекул. В частности, открытие IBM особенно важно для создания и использования устройств из графена: созданная технология визуализации молекулярных связей позволит решить потенциальную проблему будущей графеновой электроники – поиск дефектов в графеновой плоскости.
Компания IBM – один из первопроходцев в нанотехнологиях. Туннельный сканирующий электронный микроскоп был создан в лаборатории Zurich Research Lab еще в 1981 году. Этими же учеными пять лет спустя был создан атомно-силовой микроскоп, открывший дорогу в наномир. В 2011 году на базе IBM Research в Цюрихе открылся Центр нанотехнологий имени Биннинга и Рорера – как итог многолетнего сотрудничества IBM и Федеральной политехнической школы Цюриха.
Источник: IT News №16 (октябрь 2012 года)