Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Пример эффективного природного ассемблера меха низм синтеза белка рибосомой.

В настоящий момент главным оборудованием нанотехно логий являются сканирующие зондовые микроскопы, наиболее по пулярны среди которых туннельный и атомно*силовой микроскопы.

Основным элементом зондовых микроскопов является зонд (кантилевер) сверхтонкая игла, позволяющая сканиро вать поверхность с атомарным разрешением.

Работа СТМ основана на измерении колебаний тун нельного тока, возникающего между зондом и поверхностью образца на расстоянии менее 0,5 нм. При изменении расстоя ния всего на 0,1 нм туннельный ток изменяется в 10 раз. Такие перепады позволяют с высокой точностью судить о рельефе поверхности на уровне атомов.

СТМ может работать в двух основных режимах:

а) постоянной высоты (острие иглы перемещается над

образцом, а ток меняется)

б) постоянного тока (ток поддерживается постоянным за счет перемещения иглы).

В отличие от туннельного, атомно силовой микроскоп позволяет исследовать не только проводящие, но и диэлектри ческие вещества (в том числе и биообъекты). Работа АСМ ос нована на измерении сил межмолекулярного взаимодействия, возникающих между зондом и поверхностью на малых рассто яниях (порядка ангстрема).

В 1985 году Р. Керл, Г.Крото и Р. Смолли открыли третье ал лотропное состояние углерода фуллерен, обладающее удивитель ными свойствами, за что были удостоены Нобелевской премии. Молекула фуллерена имеет форму футбольного мяча, и состоит из правильных пяти и шестиугольников. Свое название фуллерен получил в честь архитектора Бакминстера Фуллера, впервые при думавшего использовать подобные структуры в строительстве.

В 1991 году Сумио Иидзима открыл нанотрубки цили ндрические углеродные образования, поразившие ученых фи зико химическими свойствами. Нанотрубки бывают однос лойные и многослойные, они гораздо легче дерева и в десятки раз прочнее стали, могут быть как проводниками тока, так и диэлектриками, обладают каппилярным эффектом и могут ис пользоваться во многих областях науки и техники.

Чем выше дисперсность частицы, тем больше площадь

ееконтакта с окружающей средой, что значительно влияет на химические и физические свойства данного вещества.

68

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

Глава 2. Законы квантового мира

“Раз поведение атомов так не похоже на наш обыденный опыт, то к нему очень трудно при выкнуть. И новичку в науке, и опытному физи ку всем оно кажется своеобразным и туман ным. Даже большие ученые не понимают его настолько, как им хотелось бы ...”

Ричард Фейнман

Как возникла квантовая физика

Квантовая физика (механика) как научная теория оформи лась в начале XX века. Она ставит перед собой практически те же задачи, что и классическая механика Ньютона, то есть уста навливает способы описания и законы движения физических тел в пространстве и времени. Различие заключается в том, что в качестве объектов изучения выступают не макроскопические тела, как в классической физике, а субмикронные (элементар ные) частицы из мира атомов и молекул.

Говоря об элементарных частицах, нельзя не упомянуть древ негреческого философа Демокрита, который полагал, что атомы

– это неделимые частицы материи, различающиеся только фор мой, величиной и положением. Он считал, что существует всего четыре вида таких атомов: атомы земли, воды, воздуха и огня.

Химия XIX века доказала существование гораздо большего разнообразия атомов, а открытие электрона в 1897 году поло жило конец мифу об их неделимости. Позднее кроме электрона были открыты и другие субатомные частицы – протон, нейт рон, мезон, пион и т.д. Но при этом оказалось, что взаимодей ствие между элементарными частицами происходит под действием каких то доселе неизвестных сил, многократно пре вышающих все изученные к тому времени.

Таким образом, в начале ХХ столетия выяснилось, что классическая механика не способна адекватно описывать зако ны взаимодействия микрочастиц, движущихся в чрезвычайно малом объеме (внутри атома), а необходимость установления этих законов и привело к рождению “новой” физики, получив шей название квантовой.

Но ведь физика – это наука о природе, ведь это видно даже из ее названия (“physis” – в переводе с греческого значит “при рода”). И как едина природа, так должна быть единой и физи

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ка, изучающая закономерности ее проявлений. Поэтому исто рически возникшее разделение дисциплины на “классичес кую” и “квантовую” представляется нам не совсем правиль ным. Тем не менее, иногда это оправдано – ведь способы реше ния конкретной физической задачи определяются видом тех законов и формул, которыми мы пользуемся, а они существен но различаются в классической и квантовой физике.

“Квант” в переводе с латинского означает “наименьшее количество”, на которое может измениться дискретная (прерывистая) физическая величина. Квантом также называют частицу носитель каких либо свойств (например, фотон – это квант электромагнитного поля).

Переход от классических представлений к квантовым тре бует от человека определенной психологической перестройки, ибо многие понятия, прочно устоявшиеся в нашем классичес ком мире, оказываются “вне игры” в мире квантовом.

Например, мы привыкли, что в классической физике поло жение тела вполне конкретно задается в трехмерном простран стве, а для описания его движения (т.е. изменения положения со временем) используется понятие траектории. При этом, ка ким бы сложным ни было движение тела в классической меха нике: равномерным, вращательным, колебательным и т.д., – мы, зная уравнение его траектории, всегда можем предсказать положение тела в последующий момент времени. Причем, го воря о том, что тело движется по некоторой траектории, мы предполагаем, что оно не может в один и тот же момент пере мещаться в пространстве еще каким нибудь образом (согласи тесь, сложно представить автомобиль или самолет, движущий ся одновременно в двух направлениях).

А вот в квантовой механике мы уже не можем оперировать понятием единственно возможной траектории частицы вооб ще, поскольку современный уровень развития знаний о зако нах квантового мира пока не позволяет нам однозначно и точ но описывать движение элементарных частиц.

Да что там траектория! Вот если в классике все очевидно – бросили вы деревяшку (частицу) в пруд, а по поверхности пру да побежали волны, – то в микромире сам квантовый объект умудряется обладать одновременно как волновыми свойства ми, так и свойствами частицы. Вспомните хотя бы эффект тун

70

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

нелирования электронов сквозь потенциальный барьер, с кото рым мы познакомились в первой главе при изучении СТМ. Ес ли представить себе электрон в виде микроскопического мячи ка, движущегося в сторону высокого потенциального “забора”, то нельзя со стопроцентной уверенностью утверждать, что если его собственная энергия меньше потенциальной энергии барь ера, то он обязательно отскочит от него (как это сделал бы обычный мячик в нашем представлении). Факт остается фак том: некоторые электроны все же “проскакивают” сквозь барь ер, словно в “заборе” для них имеется специальный “туннель”, проявляя таким образом свои волновые качества.

В квантовой физике такие “чудеса в решете” строго доказыва ются и точно описываются, хотя с классической точки зрения выг лядят абсурдом. Тем не менее, эти “абсурдные” квантовые эффекты уже десятки лет исправно работают в различных приборах, а тун нельные микроскопы с 1985 года весьма продуктивно служат науке.

Сразу обращаем ваше внимание на то, что представлять элект рон в виде круглого мячика не совсем правильно, поскольку на са мом деле определить его истинную форму физика – пока – неспо собна. Поэтому следует понимать, что аналогия “электрон мячик”

– это лишь удобная мысленная модель, наглядное допущение, оп равданное в некоторых случаях. Подробнее о проблеме определе ния природы элементарных частиц мы поговорим чуть позже.

И все таки, в каком мире мы живем – квантовом или класси ческом? Повторимся: наш мир един, как его ни назови. А вот каки ми законами пользоваться – квантовыми или классическими – за висит от конкретной задачи и необходимой точности ее решения.

Когда же, а точнее – с чего началось разделение физической науки на классическую и квантовую? Можно сказать, что первоп ричиной этому было расхождение в понимании природы света.

Первые научные воззрения на природу света принадлежат великим ученым XVII века – Ньютону и Гюйгенсу. Они придер живались противоположных взглядов: Ньютон считал, что свет представляет собой поток частиц (корпускул). Гюйгенс полагал, что свет – это волновой процесс. По Ньютону получалось, что чем больше оптическая плотность среды, тем больше в ней ско рость распространения света, по Гюйгенсу – наоборот. Великих ученых мог рассудить только опыт, однако в XVII веке необхо димая для его проведения техника была недоступна. Поэтому вплоть до XIX века (когда ученым удалось измерить скорость света

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

в различных оптических средах) свет считали потоком особых све товых частиц. Таким образом, сначала “победила” теория Ньютона, чей непререкаемый авторитет попросту “задавил” идеи Гюйгенса.

Но в начале XIX века Академия наук Франции объявила кон курс на лучшую работу по теории света, на котором Огюст Фре нель представил свою работу по интерференции и дифракции све та, согласно которой свет представляет собой волновой процесс.

Когда распространяющийся плоский фронт волн на пове рхности воды достигает перегородки, в которой есть узкая щель, волны выходят из нее кругами. Это явление называется дифракцией. Дифракция присуща не только обычным волнам, но и всем видам излучения, включая радиоволны, световые волны и рентгеновские лучи. При наличии в перегородке нес кольких щелей каждая из них оказывается источником круго вых или сферических волн. Эти волны интерферируют (взаи модействуют) друг с другом, взаимно уничтожаясь в одних мес тах и усиливаясь в других.

Рис 26. Явления дифракции и интерференции

Надеемся, что из курса школьной физики читатель хорошо помнит те характерные дифракционные и интерференционные картины, которые свидетельствуют о способности волн огибать препятствия, соразмерные длине волны. Поэтому мы не будем под робно останавливаться на опытах Френеля и продолжим рассказ.

В ходе дальнейшего обсуждения президент Академии Пуас сон заметил Френелю, что из его теории следуют “нелепые вы воды”. Например, если осветить тонкую иголку пучком парал лельных лучей, то в том месте, где должна быть геометрическая тень от иголки, по теории Френеля должна быть светлая поло са. Присутствующий на заседании ученый секретарь Академии Араго тут же организовал проведение этого нехитрого экспери

72