Просвечивающий электронный микроскоп, созданный немецкими инженерами Максом Кноллем и Эрнстом Руской в самом начале 1930-х годов, позволил изучать тончайшие (около 0,1 мкм) образцы, «просвечивая» их пучком электронов. Они давали изображение объёмной структуры образца, но рассмотреть его поверхность не позволяли. Несколько позднее появились растровые сканирующие микроскопы. С их помощью уже можно было увидеть элементы поверхности образца. Тонкий электронный пучок в таком микроскопе направляется на образец и сканирует (ощупывает) его поверхность. В результате взаимодействия электронного пучка с поверхностью возникают низкоэнергетичные вторичные электроны, которые улавливает специальный детектор. Детектор формирует электрический сигнал, величина которого зависит от интенсивности потока вторичных электронов. А она, в свою очередь, зависит от формы поверхности образца (от его топографии) и в несколько меньшей степени — от его природы. Сканируя электронным пучком поверхность образца, удаётся получить карту её рельефа.
Электронные микроскопы, и просвечивающие и растровые, значительно расширили наши представления о веществе. Но со временем их стало недостаточно. Появилась необходимость, во-первых, увеличить разрешающую способность приборов, во-вторых — сделать инструмент, с помощью которого можно было бы не только рассматривать поверхность, но и менять её структуру, например перемещать отдельные атомы. Это казалось фантастикой ещё каких-нибудь 30—40 лет тому назад. Сейчас такие приборы выпускаются серийно, они относятся к классу сканирующих зондовых микроскопов. Разрешение их достигает уже 0,1 нм.
История этого класса приборов не слишком длинна. Первые такие устройства появились в 1981 году в исследовательском центре IBM в лаборатории Герда Карла Биннига и Генриха Рорера. В 1986 году они получили за это изобретение Нобелевскую премию. Редкий, по современным меркам, случай, так как прошло всего пять лет с момента создания прибора. Правда, вместе с ними премию получил и Эрнст Руска.
Бинниг и Рорер поставили перед собой задачу создать устройство, способное просканировать участок поверхности с поперечником порядка 10 нм. Они предложили для сканирования поверхности использовать тончайшее заряженное металлическое остриё. Когда оно подводится к противоположно заряженному металлическому образцу на дистанцию, равную нескольким межатомным расстояниям, электроны начинают свободно проходить через зазор. Этот квантово-механический эффект получил название туннельного. Оказалось, что величина туннельного тока сильно зависит от зазора. Но протекающий ток сравнительно легко измерить. Теперь, если зонд вести вдоль образца, то ток будет меняться в зависимости от величины зазора между остриём и поверхностью, то есть в зависимости от рельефа. Поддерживать величину тока постоянной можно, меняя положение зонда. А теперь уже несложно (относительно несложно, конечно) зафиксировать траекторию движения зонда. Легко видеть, что это и будет профиль поверхности. После компьютерной обработки совокупность этих кривых позволяет построить довольно точное трёхмерное изображение поверхности. Но самое замечательное то, что на этом рисунке можно локализовать отдельные атомы.
Впрочем, у такого рода приборов есть и ещё одно полезное свойство — для работы они не требуют размещения образцов в вакууме, работать можно на воздухе, в газе и даже в жидкости.
Перемещение острия осуществляют при помощи пьезоэлектрического сканера. В данном случае используется свойство пьезокристаллов изменять свои геометрические размеры в зависимости от приложенного напряжения. При этом перемещения могут быть весьма незначительными — вплоть до тысячных долей нанометра. Пьезосканер можно заставить не только изменять свою общую длину, но и изгибаться.
Это, кстати, даёт возможность сделать эталон нанометра. Используя всё тот же принцип обратного пьезоэффекта, описываемого очень простым линейным уравнением (изменение размеров пьезокерамического элемента прямо пропорционально приложенному напряжению), можно задать напряжение, которое приведёт к изменению размера ровно на один нанометр. С помощью такого эталона можно калибровать зондовые туннельные микроскопы, интерферометры, другие особо точные приборы.
Интерпретировать и обработать массивы информации, которые получает сканирующий зондовый микроскоп, без компьютера невозможно. Да и управление прибором без него не осуществить. В 1998 году в Москве был разработан и построен сканирующий зондовый микроскоп «ФемтоСкан-001», которым можно управлять не просто с компьютера, но даже через интернет.
Конечно, появился «ФемтоСкан» не на пустом месте. В 1985 году в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова первый в России сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) начала создавать группа профессора Владимира Ивановича Панова. Для создания коммерческих микроскопов в эту группу в 1987 году вошёл Игорь Владимирович Яминский. На построенном за два месяца прототипе коммерческого микроскопа получили изображения отдельных атомов на поверхностях кристалла меди и графита. Первые успехи позволили создать научно-производственное предприятие «Центр перспективных технологий», выпускающее сканирующие зондовые микроскопы. Рассказывает директор предприятия доктор физико-математических наук И. В. Яминский:
— Зондовый микроскоп — прибор сложный. В его создании принимают участие специалисты самых разных областей знания, программисты, электронщики, конструкторы, механики. Хотя сегодня зондовый микроскоп примерно такой конструкции, за которую в 1986 году дали Нобелевскую премию, в принципе может построить студент первого курса за один или два семестра — если ему помочь. С помощью такого прибора можно будет увидеть отдельные атомы, хотя, конечно, изображения будут «плохонькие» из-за температурного дрейфа и других помех. Больше ничего сделать этим прибором не получится.
А если рассматривать современный сканирующий зондовый микроскоп, то он «видит» не только атомы, но и их строение, и распределение магнитного поля вблизи поверхности, и распределение электрического поля, сопротивление, упругость. С его помощью можно делать литографию — «вырывать» отдельные атомы из материала или, наоборот, осаждать их на поверхности. Вот такие приборы мы с коллегами сейчас выпускаем.
Основной костяк коллектива — 15 человек, народ в основном молодой, в подавляющем большинстве выпускники МГУ.
Нам удобно работать с университетом. Мы знакомимся со студентами ещё на младших курсах, стараемся найти таких, кто будет увлечённо работать, сделает хороший диплом. Потом мы «проводим» такого человека через аспирантуру и получаем отличного специалиста. Это такой идеальный вариант — «симбиоз» предприятия и университета. Нам удалось если не полностью, то в очень значительной степени воплотить его в жизнь.
Сейчас работать стало несравненно легче, чем в девяностые годы. Тогда в науке практически не было денег. Однако нам везло, помогали университетские гранты, договора на проведение исследований. Впрочем, и мы помогали университету. Самое главное, мы создали очень хороший творческий коллектив. Сейчас у нас много помощников, научных сотрудников, кандидатов химических и физико-математических наук. У них есть свои помощники-аспиранты, у аспирантов — студенты, словом, построена такая очень разумная и устойчивая команда.
Ещё одна составляющая успеха — это сильная (пожалуй, даже уникальная) техническая группа: наши токари, фрезеровщики, сварщики, монтажники электроники. Когда мы делали первые микроскопы, то испытывали невероятные трудности в изготовлении механики. Для реального производства механический цех абсолютно необходим. В Институте физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ такой цех был. Кроме того, наше предприятие арендует цеха на заводе «Союз». Там мы отремонтировали помещения, установили новое оборудование. На «Союзе» сохранились опытные мастера, они помогают на производстве и, самое главное, обучают молодёжь. В прошлом году здесь проходили профессиональную подготовку будущие специалисты по программе «Опережающая профессиональная переподготовка по производству измерительно-аналитического оборудования для нанотехнологий в сфере материаловедения, биологии и медицины», организованной совместно с МГУ им. М. В. Ломоносова и ведущими производителями оборудования.
Вообще, производство сложных современных приборов полно парадоксов. Механическая часть, требующая больших площадей, тяжёлого оборудования, множества дорогих комплектующих, в себестоимости конечного продукта составляет примерно 5%. В то же время схемотехника, разработкой которой занимаются несколько человек в одной комнате, и программное обеспечение (десяток специалистов, разбросанных по всему миру) — остальные 95! Правда, это даёт возможность не экономить на механике.
Первый микроскоп мы поставили в Минск, в Институт химии новых материалов, в 1999 году, и он хорошо работает до сих пор. Заложенный в первые приборы принцип — сделать простую надёжную конструкцию, которая не требует сейсмических фильтров, развязки и может работать на обычном лабораторном столе, себя полностью оправдал.
Оправдала себя и другая идея — сделать программное обеспечение, позволяющее работать с большим количеством форматов данных. Дело в том, что каждый производитель микроскопов использовал свою схему записи информации. А производителей таких сейчас немало. Кроме того, они время от времени меняют форматы. К примеру, у американской компании «Диджитал инструментс», которую сейчас приобрела фирма «Брукер», их существует около пятидесяти, причём сама компания уже даже забыла про некоторые из них. Но поскольку к нам обращались пользователи микроскопов со своими реальными проблемами, мы научились читать практически все форматы данных микроскопов, которые продаются под торговой маркой «Брукер». Что касается программного обеспечения, его покупают пользователи других микроскопов — американских, английских, немецких, при том что их микроскопы поставляются со своим, «родным», программным обеспечением.
Сканирующие зондовые микроскопы имеют ограничение по скорости работы. Из-за этого в некоторых случаях возникают сложности, связанные, например, с тепловым дрейфом атомов на поверхности образца. В компании «Медицинские нанотехнологии», которой руководит Пётр Горелкин, прошедший весь стандартный путь специалиста «Центра перспективных технологий», сейчас активно работают над созданием сверхбыстрого СЗМ. Не так давно Горелкин с коллегами выполнили работу по конструированию сенсорной панели для определения простатспецифического антигена (ПСА), диагностического маркера рака.
Другой наш сотрудник, Глеб Киселёв, начал работать в команде, будучи студентом 2-го курса физфака МГУ. В 2004 году ему пришла в голову идея создания атомных весов для регистрации сверхмалых количеств веществ. Весы назвали атомными по аналогии с атомно-силовым микроскопом. Его чувствительный элемент — кантилевер — представляет собой небольшой элемент из кремния — тончайшую консоль (шириной около 0,03 мм, длиной не более 0,5 мм) с измерительной иглой на конце. Взаимодействуя с поверхностью, консоль изгибается под действием крайне незначительных сил. Киселёв придумал использовать такую консоль в качестве весов. Сейчас Глеб руководит созданной в 2004 году компанией «Академия биосенсоров».
Значительная часть наших сотрудников по образованию — физики. Но мы живём в окружении биологов МГУ (биофак, факультет почвоведения, Институт физико-химической биологии), и получается так, что наши интересы как исследователей сконцентрировались в направлении изучения вирусов, ДНК, ДНК-белковых комплексов бактерий, клеток крови. Зондовая микроскопия открывает в этих направлениях огромные перспективы. Впрочем, не только в этих.
