200 нанометров — таков физический предел видимости самых совершенных оптических световых микроскопов. Объекты меньше этой величины по законам оптики огибаются световой волной и остаются невидимыми для человеческого глаза. Фундаментальный тупик? Выход в электронной и зондовой микроскопии.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №7(23). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Микроскопы XVIII-XIX веков

История конца XIX-начала XX века соткана из множества научных прорывов, плодами которых пользуемся до сих пор. В то же время в науке о живом, как снежный ком, нарастала необходимость заглянуть внутрь органоидов клетки, «зуммировать» хромосомы в надежде увидеть физическую основу наследственности ДНК. Аналогичная необходимость несколькими веками ранее подтолкнула учёных к идее создания самих микроскопов. Самая молодая отрасль — ядерная физика рисковала остаться сугубо теоретической без возможности увидеть и «потрогать» атомы. Оптические световые микроскопы не могли обеспечить должного уровня приближения — в живой клетке они позволяли рассмотреть митохондрии, ядро и крупные хромосомы, а вот нити ДНК из-за диаметра в 2,5 нм уже недоступны наблюдателю. Физики же вообще могли говорить об объектах своих исследований зачастую только по косвенным наблюдениям.

Мысль о замене оптических микроскопов впервые появилась в 1873 году, но вот представления о механизмах микроскопии нового уровня были ещё весьма туманны. Революционные достижения физики начала XX века позволили учёным и инженерам в деле постижения тайн микромира взять на вооружение электрон. Очень кстати в 1924 году Луи де Бройль показал двойственную природу частиц — это значит, электроны ведут себя как частицы и волны одновременно. 

И самое важное — если на пучок электронов воздействовать напряжением в несколько киловольт, то длина волны электрона станет в десятки тысяч раз короче световой. Это открытие де Бройля позволило поднять разрешающую способность электронной микроскопии на недосягаемую величину: чем короче волна электрона, тем более мелкие детали видны наблюдателю.

Первый электронный микроскоп Эрнста Руска

1931 год считается официальной датой рождения прообраза современного электронного микроскопа. Его «отцами» стали немецкие учёные Эрнст Руска и Макс Кнолл из немецкой фирмы Siemens. Интересно, что микроскоп был относительно слабым, не мог приближать более чем в 400 раз и в этом уступал многим световым аппаратам. Но он превосходно продемонстрировал возможность использования электронов для нужд микроскопии.

Устройство первенца было замысловатым: источником потока электронов был накаливаемый электрическим током катод — это термоэмиссионный способ получения частиц, которые проходили сквозь наблюдаемый объект, а затем фокусировались с помощью магнитного поля. Возникает вопрос: как человек увидит электроны? Для этого в микроскопе был предусмотрен флуоресцирующий экран, светящийся под ударами летящих электронов. Сложности такой конструкции добавляет необходимость полного вакуума в области движения пучка электронов, иначе изображение объекта исследования будет сильно искажённым из-за рассеивания частиц молекулами газов в воздухе. Вакуум не позволяет также подвергать электронному микроскопированию живые объекты — из них мгновенно испарится вода, клетки деформируются и гибнут.

В 1986 году исследователи из американской компании IBM Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер получили Нобелевскую премию за создание сканирующего зондового микроскопа (SPM). Удивительно, что вручили её учёным всего через пять лет после их разработки — это редкое событие в истории самой престижной научной премии. В этом же году заслуженное признание Нобелевского комитета получил и упоминаемый ранее Эрнст Руска за создание в далёком 1931 году первого прототипа просвечивающего электронного микроскопа. 

Бинниг и Рорер предложили уникальное в своём роде решение — использовать для сканирования поверхности очень тонкое металлическое остриё. Но «скрести» таким тончайшим зондом объекты опасно — может быть повреждён и сам зонд, и исследуемая поверхность. Поэтому остриё подводят к поверхности на минимально возможное расстояние в несколько атомов и подают небольшое напряжение. Электроны начинают курсировать через зазор — этот квантово-механический эффект получил название туннельного тока. Перемещение зонда по исследуемой поверхности изменяет величину туннельного тока, его фиксируют сенсоры микроскопа и с помощью компьютера строят трёхмерную картину рельефа. И что самое важное, теперь отпала необходимость помещать предмет микроскопирования в вакуум — всё можно проводить на воздухе и даже в воде. У учёных появилась возможность работать с живыми объектами! 

Возникает вопрос: а как научиться перемещать зонд по поверхности с такой малой скоростью в 1–2 атома в секунду? Конечно, механические приводы такого рода создать крайне затруднительно, поэтому инженеры решили использовать пьезокристаллы. Некоторые кристаллы обладают замечательной способностью изменять свои геометрические размеры прямо пропорционально от значения приложенного электрического напряжения. До тысячных долей нанометра можно изменить размер пьезокристалла, а это уже идеальный привод для перемещения зонда. Можно сместить его на половину атома влево или вправо! 

Сканирующий туннельный микроскоп. Источник: Википедия. Автор фото — Royce Hunt.

Теперь о самом исследовательском острие. Создать такой является нетривиальной задачей, ведь радиус самого кончика зонда может быть менее 1 нм. Изготавливают зонды из вольфрама, нитрида кремния (Si3N4) или полимеров и процесс производства схож с вытравливанием кремниевого электронного оборудования. Существуют варианты изготовления на основе нанотрубки и затачивания заготовки ионным пучком. Технологии настолько отработаны, что стоимость зонда сейчас менее 20 долларов. 

Зондовая микроскопия способна не только сканировать рельеф, но и определять магнитные поля, свойства поверхности (например, степень адгезивности или «липкости»). И, наконец, зонды способны не только обследовать отдельные атомы, но и прикреплять их к себе, перемещать с место на места или даже удалять лишние. Такие манипуляции стали возможны с привлечением сканирующих микроскопов в начале 90‑х годов прошлого столетия и сейчас в научном мире стали привычным явлением. У исследователей появилась не только ZOOM для наномира, но и пинцет для наноопераций.

Оптическая микроскопия до сих пор не сдаёт свои позиции: многие процессы на клеточном уровне можно наблюдать только через световую технику, но предел их совершенства, похоже, достигнут. А вот электронная и зондовая микроскопия ещё только в начале своего пути. В мире существует огромное разно­образие их видов: атомно-силовая, сканирующая ёмкостная, магнитно-силовая, полевая ионная и много-много других микроскопий. Это ли не повод заняться увлекательным изучением мира микроскопов?