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

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Глава 5. Инструменты нанотехнологии

“Главный инструмент нанотехнолога – его мозг”.

Александр Оликевич

Главное отличие человека от животных – его стремление к познанию и преобразованию природы. Появившись однажды на определенном этапе эволюции, это слабое существо, не имевшее ни крыльев, ни клыков, ни когтей, ни смертоносного жала, ни густого шерстяного покрова – в общем, ничего из того арсенала защитных средств, которыми обладали его более “удачливые” соседи, смогло в конце концов не только выжить в жестких ус ловиях естественного отбора, но и диктовать природе свои усло вия, активно преобразовывая окружающую среду.

Активность мышления, подгоняемая инстинктом самосох ранения, во все времена заставляла человека изобретать все но вые инструменты, будь то топор, колесо или компьютер. Поко ряя новые вершины познания, человек видел перед собой все более широкие горизонты, все более смелые мечты манили его, все полнее становилось его знание о мире. Тысячелетиями че ловек шел по пути познания, проникая все дальше в тайны при роды, и, видимо, не будет конца этому пути…

Получая новую информацию, мы анализируем, системати зируем и осмысливаем ее, и лишь потом ставим вопросы, ищем доказательства, формулируем законы, выдвигаем гипотезы и те ории. Поэтому огромную роль в познании природы играют инструменты получения информации о ней, первыми среди ко торых были наши удивительные органы чувств: глаза, уши, нос

– сами по себе сложные устройства, достойные восхищения ин женера. А ведь знания о природе не самоцель, а тоже своего ро да инструменты, с помощью которых человек решает различные задачи: от постройки дома до полета на Луну. Но научных зна ний тоже недостаточно. Чтобы воспользоваться ими, надо соз дать соответствующую технику, для чего опять таки необходи мы инструменты; сначала ими была просто пара лохматых рук.

Познание природы и развитие инструментов глубоко взаи мосвязаны. Чем совершеннее инструменты, тем более точную информацию мы можем получать, тем достовернее наши зна ния о природе. Так, например, до открытия телескопа человеку

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

были недоступны сведения ни о форме, ни о структуре нашей Галактики. А до изобретения сканирующих микроскопов никто и не подозревал о существовании уникальных углеродных сое динений – фуллеренов и нанотрубок.

С другой стороны, более совершенное мышление позволяет изобретать более точные инструменты и приборы, порой на по рядки превосходящие возможности существующей технологии. Так, многие изобретения величайшего гения Леонардо да Вин чи (типа цепного привода или шарикоподшипника) были тео ретически вполне работоспособны, однако же не использова лись в XVI веке. Для их реализации была необходима высоко точная обработка деталей, которая хоть и не представляет слож ности сегодня, но была совершенно нереальна для той эпохи.

Проникнув в невидимый мир атомов и молекул, мы еще острее нуждаемся в развитии инструментов, способных не только обеспечить получение новой информации, но и привес ти к потрясающему прогрессу во многих областях. Данная гла ва представляет собой небольшой обзор некоторых наиболее популярных инструментов нанотехнологии, но все же читателю следует помнить, что на самом деле их несравненно больше.

История развития микроскопии

Едва рождаясь на свет, человек начинает активно познавать окружающий мир, используя изначально присущие ему методы получения информации типа “посмотреть”, “потрогать”, “попробовать на вкус” и т.д.

С появления первого человека до начала XVII в. эти методы были единственным способом получения объективной инфор мации о мире. Однако когда развитие оптики привело к созда нию первых телескопов и микроскопов, ученые впервые полу чили возможность проникнуть далеко за пределы видимости, доступные человеческому зрению.

Оптический микроскоп

Как бы человек ни гордился своей изобретательностью, все же следует признать, что в основе многих его достижений лежат прин ципы, так или иначе “подсмотренные” у природы. В частности, речь идет о самом популярном инструменте ученых – микроскопе.

224

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Человеческий глаз представляет собой естественную опти ческую систему с определённым разрешением – возможностью различения деталей наблюдаемого объекта. Для нормального зрения максимальное разрешение (на расстоянии наилучшего видения 25 см) составляет порядка 0,1–0,2 мм. Размеры же микроорганизмов, клеток растений и животных, деталей мик роструктуры кристаллов и т.п. значительно меньше этой вели чины. Обнаружение и изучение подобных объектов было бы невозможным без оптических микроскопов.

Микроскоп (от греч. “micros”–малый, и “scopeo”–смотреть)

– оптический прибор для получения увеличенных изображе ний объектов, не видимых невооруженным глазом, оказал по истине революционное действие на развитие многих наук, и в особенности, биологии.

Увеличение изображения происходит за счет преломления света, проходящего сквозь стеклянную линзу, способную в зави симости от своей формы фокусировать или рассеивать световой пучок. Самым простым прибором, демонстрирующим это явле ние, является обыкновенная лупа – плосковыпуклая линза.

Один из первых микроскопов сконструирован в 1609 1610 гг. Галилеем. Он состоит из двух систем линз окулярa и объективa. Объектив, расположенный близко к образцу, создает первое увеличенное изображение объекта, которое еще раз увеличивается окуляром, который помещают ближе к глазу наблюдателя.

Образец обычно берется в виде очень тонкого среза и рас сматривается в падающем свете, поэтому под предметным сто ликом находится специальная система линз, называемая кон* денсором, который концентрирует свет на образце. Еще ниже расположено зеркало, которое отбрасывает свет лампы на обра зец, за счет чего вся оптическая система микроскопа и создает видимое изображение.

На рисунке представлена схема работы микроскопа.

С XVIII столетия развитие микроскопии шло главным обра зом по пути улучшения конструкции механических частей. Со вершенствование шлифовки и подгонки линз привело к тому, что микроскопы начала XIX в. давали увеличение до 1000 раз.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис 135. Схема работы оптического микроскопа (1–осветительная лампа; 2–линза, используемая для равномерного освещения объекта; 3–полевая

диафрагма для ограничения светового пучка; 4–зеркало; 5–апертурная диафрагма для ограничения светового пучка; 6–конденсор; 7– рассматриваемый объект (препарат); 7’–увеличенное действительное изображение объекта; 7’’–увеличенное мнимое изображение объекта; 8–объектив; 9–окуляр; 10–предметный столик)

Создание фабричного производства микроскопов, конку ренция между фабриками привели к удешевлению инструмен тов, и микроскоп становится повседневным лабораторным инструментом, который могли иметь даже отдельные врачи и студенты. С этого момента отмечается настоящий “микроско пический бум”. Перед исследователями открылся новый, дото ле недоступный мир. С энтузиазмом первооткрывателей они кладут под микроскоп буквально все, что попадается им под ру ку – кончик иглы, зубной налет, капли крови, дождя. Открытия следуют одно за другим...

Рассматривая каплю воды из канавы, А. Левенгук – один из талантливейших микроскопистов любителей – впервые увидел

226

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

простейших; исследователю удалось рассмотреть не только строение многих из них, но и способы движения и даже разм ножения. Он же впервые описал красные кровяные тельца — эритроциты.

В1677 г. Левенгук совместно со студентом медиком И. Га мом открыл сперматозоиды13. Р. де Грааф установил, что женс кая половая железа млекопитающих, подобно яичнику птиц, продуцирует яйца. Идея о наличии яйца у млекопитающих приблизила разрешение вопроса о сущности оплодотворения.

В1773 г., почти через 100 лет после первых наблюдений А. Левенгука, датскому зоологу О.Ф. Мюллеру удалось настолько хорошо рассмотреть бактерий, что он смог описать очертания и формы нескольких из них.

Применение микроскопа позволило детально изучить мик роструктуру различных органов животных. М. Мальпиги обна ружил капилляры; это удачно дополняло учение В. Гарвея о кругах кровообращения. Мальпиги описал микроскопическое строение легких, печени, почек, селезенки. Я. Сваммердам изучил строение насекомых, их развитие.

Изучение доселе недоступных деталей строения животных, растений и грибов показало, что в основе всего живого лежит универсальное крошечное образование – клетка. В 1839 г. Т.Шванн формулирует клеточную теорию. Ученому удалось по казать, что клеточная структура имеет всеобщее распростране ние в мире живого, все ткани состоят или развиваются из впол не стандартных клеток. Таким образом, клеточная теория пока зала морфологическое единство всей органической природы и тем самым способствовала утверждению идеи эволюции.

Эти примеры лишний раз доказывают, что развитие инстру ментов идет рука об руку с развитием науки и технологии и что успехи в этих областях связаны самым тесным образом.

Разрешающая способность микроскопов

Хотя со времен Левенгука увеличение оптических микрос копов выросло с 300 до 1500 единиц, на пути дальнейшего рос та разрешающей способности стоит непреодолимый теорети ческий барьер – так называемый “предел Рэлея”.

13 Микромир оказался настолько необычен, что далеко не сразу ученые смогли полностью осознать увиденное. Сперматозоидов, например, сначала принимали либо за маленьких человечков, которые затем линейно вырастают во время беременности, либо за простейших, паразитирующих в сперме