Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Лабораторный журнал Айглера

35 атомов, которые изменили мир

Ключевые слова:  IBM, атом, нанотехнологии, периодика, СТМ

Автор(ы): Chris Toumey

Опубликовал(а):  Уточникова Валентина Владимировна

16 апреля 2010

Если когда научному сообществу и требовались доказательства реальности нанотехнологии, Дон Айглер и Эрхард Швайцер привели такое доказательство в выпуске Nature от 5 апреля 1990 года. Ученые, работавшие в исследовательском центре IBM в Калифорнии, использовали сканирующий туннельный микроскоп для перемещения по металлической поверхности индивидуальных атомов. Таким образом они создали, возможно, самый популярный образ нанотехнологии - буквы IBM, написанные на никелевой поверхности 35 атомами ксенона.
Ученые десятилетиями изучали атомы и субатомные частицы внутри них, но увидеть отдельные атомы настолько четко - и даже перемещать их! - совсем другая задача. Статья в Nature продемонстрировала, что средствами нанотехнологии можно контролировать материалы на наноуровне, атом за атомом. И если назвать Айглера и Швайцера как героев апреля 1990 года, нужно упомянуть и третьего героя: сканирующий туннельный микроскоп.
Научные приключения, приведшие к прорыву ученых, длились до того как минимум 35 лет. 11 октября 1955 года в Пенсильванском университете Эрвин Мюллер с использованием полевого ионного микроскопа, охлажденного до температуры жидкого азота, зафиксировал изображение решетки вольфрама, в которой были видны индивидуальные атомы.
Еще один герой этого приключения - Рассел Янг, который изобрел "топографайнер" в ходе своей работы в Национальном бюро стандартов США. Прибор состоял из вольфрамового полевого излучателя, закрепленного на пьезоэлектрической платформе. При помещении излучателя на расстояние около 3 нм от поверхности образца появлялся электрический ток, что приводило к высвобождению с поверхности электронов и фотонов. Пара детекторов использовалась для фиксации этих электронов и фотонов при движении излучателя вдоль поверхности при зафиксированном расстоянии между излучателем и поверхностью, что позволило превратить эти измерения в трехмерную картинку поверхности. Обычно вертикальное разрешение составляло 3 нм, но иногда топографайнеру удавалось достичь разрешения до 0.3 нм (чего вполне достаточно, чтобы фиксировать ступеньки на поверхности высотой в один атом). Однако у топографайнера было два ограничения: 1. он не мог видеть отдельные атомы и 2. высокое требуемое напряжение иногда повреждало поверхность.

Глядя на отдельные атомы

первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был создан в 1981 году Гердом Биннигом и Хайнрихом Рорером, которые хотели изучить атомную поверхность более детально, чем было возможно в то время. Бинниг и Рорер, работавшие в лаборатории IBM в Цюрихе, поместили ультратонкий зонд на поверхность пьезоэлектрика, подвели конец зонда на расстояние порядка нанометра от поверхности и приложили напряжение, заставляя электроны из зонда туннелировать к образцу. Туннельный ток был очень чувствителен к расстоянию между зондом и поверхностью, поэтому по изменению этого тока при движении зонда вдоль поверхности позволило увидеть такие малые объекты, как атом.
Развитие топографайнера подошло к концу в 1970-х годах. Полевой ионный микроскоп до сих пор играет в микроскопии важную роль, но СТМ и его младшая сестричка, атомно-силовой микроскоп (АСМ), сегодня делают всю самую тяжелую работу в области наноизображений.
На момент выпуска своей статьи в августе 1985 года в Scientific American Бинниг и Рорер описывали свое изобретение только как устройство визуализации , а не инструмент для перемещения отдельных атомов. Статьи о том, что с помощью СТМ можно перемещать объекты на наноуровне, начал писать в 1985 году инженер из Аризоны Конрад Шнайкер. Он назвал СТМ "машиной Фейнмана", поскольку он думал, что это поможет исполнить идею Фейнмана по точному контролю отдельных атомов и молекул. В декабре 1986 года Бинниг и Рорер включили в свою нобелевскую лекцию небольшое рассуждение о том, что СТМ может стать "машиной Фейнмана".
Оставалось недолго до демонстрации возможностей СТМ по перемещению атомов. В январе 1987 года, спустя месяц после получения Биннигом и Рорером Нобелевской премии, Рассел Бекер с коллегами из лаборатории Белла объявили, что с использованием зонда СТМ им удалось модифицировать на атомном уровне поверхность германия. Этот "поверхностный бит", по их словам, представлял собой "наименьшее на сегодняшний пространственное переупорядочение атомов на поверхности", хотя происхождение такого "поверхностного бита" оставалась неясной.
Затем, в 1988 году, Джозеф Фостер из IBM объявили, что с помощью СТМ могут "приколоть" отдельную органическую молекулу на поверхность углерода, а также удалять другие молекулы с такой поверхности. Манипуляция на наноуровне вышла на финишную прямую.

Двигая атомы

28 сентября 1989 года Айглер переместил атом ксенона туда и сюда между двумя дефектами на поверхности платины. В своем лабораторном журнале за тот день под заголовком "Впервые контролируем движение атома" Айглер написал "Получилось", "Получилось" и "Опять получилось! 3 в ряд." Хотя отдельный атом и был передвинут, визуализация на платиновой поверхности была затруднена. Айглеру нужна была поверхность, на которой было бы ясно видно, что он достиг атомного разрешения в позиционировании.
Поферхность кристаллического (110) никеля, полученная коллегой Айглера Джо Штором, решила эту проблему. 9 и 10 ноября 1989 года Айглер и Швайцер, ученый, приехавший с визитом из Берлина, охладили камеру СТМ до 4 К и поместили на никелевую поверхность атомы ксенона. После размещения случайным образом атомов ксенона, они подвели зонд СТМ ближе, чем обычно требовалось для визуализации, что позволило приклеить атом к к зонду, перенести вдоль поверхности к нужному месте и отсоединить в этом месте. После того, как они проделали это с 35 атомами ксенона, по одному за раз, в течение 22 часов, атомами было выложено слово IBM. Они назвали это "первой конструкцией по упорядоченному размещению атомов".
14 февраля 1990 года Айглер исоплзовал для перемещения атомов другой метод: вместо того, чтобы таскать атомы вдоль поверхности, он приподнимал их над поверхностью никеля и опускал в новом месте. В лабораторном журнале в тот день слова "успешно поднял" и "успешно опустил" повторялись 6 раз - никаких сомнений в воспроизводимости, - а затем крупно и жирно написано: "Мне действительно весело!!"
Позже Айглер с коллегами построили огромное количество структур, атом за атомом, и исследовали бездну до тех пор не известных физических явлений в этих структурах. Прекрасные изображения из той работы доступны в STM Image Gallery. И начиная с апреля 1990 года для ученых стало обычным делом создавать логотипы институтов и другие картинки с помощью СТМ.
Несмотря на то, что это позволяет перемещать атомы для создания любых картинок, важно понять, что это не имеет отношения к промышленности. Так не удастся размещать атомы на больших площадях. Как писал Айглер, это "лабораторный инструмент", а не промышленный, и его значение в том, что мы можем лучше изучить поведение атомов. Более того, добавляет Айглер, манипуляция атомами сегодня столь же захватывающа, как и 20 лет назад".

Вместо заключения

Есть видео о том, как 30 марта 2008 года в музее науки в Бостоне ученый показывает посетителям СТМ. Пока перемещает мышку ноутбука в Бостоне, на экране видна металлическая поверхность в реальном времени в университете Сан-Хосе на другом континенте. Зонд СТМ перемещается, пока не разместится точно над одиночным атомом меди. Зонд снижается, и мы слышим, как атом приклеился к нему. Зонд поднимается, перемещается в другое место, где оставляет атом на новом месте. Новый скан подтверждает, что атом перемещен. Не правда ли, это столь же захватывающе, как исходный эксперимент Айглера-Швайцера?
Когда презентация подходит к концу, лектор предлагает любому желающему попробовать переместить атом, и затем сообщает довольному ребенку: "Ты переместил атом!"
Этот ученый - Дон Айглер.



Средний балл: 10.0 (голосов 10)

 


Комментарии
Смолянкина Ольга Юрьевна, 17 апреля 2010 11:46 
полезная статья, на одном дыхании прочитала
Удивительно! Интересно. Главное популярно. Это для нас - школьников. Но немного бы побольше описания как (?) и что (?).
Смолянкина Ольга Юрьевна, 17 апреля 2010 22:11 
а что вас именно интересует?

статья интересна с позиции истории открытия,
вряд ли автору стоит в неё ещё и принципы
работы приборов включать.... хотя я и сама бы с
удовольствием посмотрела на схему первого стм,
если это возможно :)
Ну там немного есть о принципах...
Принцип в том, что игла удерживается на определенном расстоянии.
Смолянкина Ольга Юрьевна, 17 апреля 2010 22:31 
да, суть стм в том, что проводящая поверхность
сканируется проводящим зондом.
между ними возникает туннельный ток, который
экспоненциально (ну, то есть очень сильно)
зависит от расстояния зонд-поверхность, что
позволяет с большой точностью определять
положение зонда в зависимости от величины тока.
и наоборот. отсюда возникают 2 разных режима
стм. и мы можем восстановить рельеф
поверхности, измеряя либо туннельный ток, либо
отклонение зонда.

но чтобы объяснить вам всё-всё, Валентине
Владимировне пришлось бы рассказать не только
об этих режимах, но и о пьезокерамике, которая
перемещает зонд и образец, и о самих зондах...
:)
Палии Наталия Алексеевна, 18 апреля 2010 15:33 
Ангелина Валерьевна, про СТМ можно прочитать в статье:
Десять в минус девятой: популярно о нанотехнологиях - на сайте Элементы.ру ( о котором уже упоминалось в публикации "Интернет - школьнику и студенту"), либо на сайте партнера НАНОМЕТРа - журнала "Популярная механика" - о нем в комментарии к статье "Интернет-..." писал Е.А. Гудилин.
Так что - далеко за объяснениями идти не надо...
Можно почитать и на английском на сайте NobelPrize
- польза будет двойная (когда-то в Москве были школы с преподаванием ряда предметов на английском, как ни странно - выпускники этих школ хорошо знали и английский, и алгебру, и физику, и биологию)
Gromolyot, 18 апреля 2010 23:10 
Хорошая статья. Живо и увлекательно написано.
Хотел оценить, однако оно глюкнуло и не засчитало голос...
Пастух Евфграфович, 20 апреля 2010 17:04 
- I am really having Fun!
- И мы тоже, спасибо Дон Айглер!
Замечательная статья.
Дон Айглер - лауреат премии Кавли 2010 года http://www.n...214254.html

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Нановодоросли
Нановодоросли

Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019
Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019. Тезисы доклада Быкова В.А.

Пять медалей завоевали российские школьники на Международной физической олимпиаде
Стали известны итоги 50-й Международной физической олимпиады для школьников, которая проходила в Тель-Авиве (Израиль). Российская сборная завоевала в состязаниях 4 золотые и одну серебряную медаль.

Поступление в совместный российско-китайский Университет МГУ-ППИ в Шэньчжэне
В июле 2019 года в МГУ имени М.В. Ломоносова проходит набор учащихся на программы МГУ, реализуемые в Университете МГУ-ППИ в Шэньчжэне. Поступление в совместный университет – это возможность учиться в самом быстроразвивающемся городе мира на русском языке у ведущих преподавателей МГУ по самым современным программам, получить образование мирового уровня и дипломы сразу двух университетов, овладев китайским языком. Для поступления в совместный университет не требуется владения китайским языком. Прием документов и экзамены проходят на территории МГУ. Абитуриенты имеют право поступать одновременно в МГУ имени М.В. Ломоносова и МГУ-ППИ в Шэньчжэне.

3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве
И.В.Яминский
Материалы лекции проф. МГУ, д.ф.-м.н., генерального директора Центра Перспективных технологий И.В.Яминского "3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве". 3D принтер, сканирующий зондовый микроскоп и фрезерный станок. Что общего между ними? Как конструировать их своими руками? Небольшой экскурс в практические нанотехнологии. Поучительная история о создании сканирующего туннельного микроскопа. От идеи до нобелевской премии за 5 лет. Взгляд в микромир – от атомов и молекул до живых клеток. Как взвесить массу одного атома? Вирусы и бактерии – наши друзья или враги? Медицинские приложения нанотехнологий – нанобиосенсоры для обнаружения биологических агентов.

Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники
В.А.Кецко
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. В сообщении даны материалы лекции д.х.н., в.н.с. ИОНХ РАН В.А.Кецко "Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники".

Лекции и семинары от ФНМ МГУ на Нанограде
Е.А.Гудилин
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. Ниже даны материалы лекций и семинаров представителя ФНМ МГУ проф., д.х.н. Е.А.Гудилина.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.