Золото, пуля, спасительный яд

Вот мы и добрались до атомов. Многие убеждены, что манипулирование атомами и сборка различных объектов из атомов составляют квинтэссенцию нанотехнологий, то, что отличает их от “старых” технологий и служит основой революционных технологий будущего. Убеждение это ложное, оно сложилось в значительной мере благодаря публикациям в научно-популярной литературе и СМИ. Откуда здесь ноги растут, я расскажу вам в следующей главе, это довольно занимательная история. Но все это нисколько не умаляет значимости самого открытия. То, что ученые научились напрямую манипулировать атомами, действительно определяет одну из важнейших вех в истории развития науки.

Для того чтобы научиться манипулировать атомами, их надо было для начала увидеть. Долгое время считалось, что эту задачу невозможно решить в принципе. Размер атомов очень мал. Оценили его еще в XIX веке, исходя из данных по размеру молекул, опять же оценочных, и структуры молекулы, которую представляли образованной из сферических атомов. Он составил что-то около одной десятой нанометра. Чтобы не заморачиваться с лишними знаками после запятой, ученые стали использовать эту величину в качестве специальной единицы измерения, названной ангстремом по имени предложившего ее в 1868 году шведского физика Андерса Ангстрема, или, точнее, Онгстрёма (1814–1874).

Разглядеть столь малые объекты с помощью оптических микроскопов – единственных имевшихся тогда в распоряжении ученых приборов – было действительно невозможно, как ни умножай количество линз и ни улучшай их качество. Законы оптики положили нашим желаниям так называемый дифракционный предел, мы не можем разглядеть по отдельности два объекта, если они находятся на расстоянии, меньшем двухсот-трехсот нанометров. Некоторую надежду подарило открытие в 1895 году рентгеновских лучей с длиной волны порядка одного нанометра и приблизительно таким же дифракционным пределом. Но как сфокусировать рентгеновские лучи? В природе просто не было веществ, из которых можно было изготовить необходимые линзы.

Ученые в конце концов научились использовать рентгеновские лучи для исследования структуры вещества. О методе рентгеноструктурного анализа, созданном в 1912 году, я уже рассказывал в пятой главе. При просвечивании кристалла рентгеновскими лучами на фотопластинке возникал сложный узор, состоящий из точек и дужек. Но это не было изображением атомов, это был образ плоскости, состоящей из атомов определенного сорта и расположенных в кристалле в строгой периодичности.

Рентгеновские лучи находились на нижней границе электромагнитного излучения, ученые полагали, что спуститься ниже уже невозможно, и проблема визуализации атомов зашла в тупик. Прорыв произошел в 1924 году, когда француз Луи де Бройль[59] (1892–1987) сформулировал гипотезу о двойственной природе электрона: в одной из своих ипостасей электрон был волной, в сущности, электромагнитным излучением. Научному сообществу потребовалось некоторое время, чтобы переварить эту ересь, в 1929 году де Бройлю присудили Нобелевскую премию по физике, еще через два года пришла пора практического приложения.

По легенде, немецкие физики Макс Кнолль (1897–1969) и Эрнст Руска (1906–1988) натолкнулись на идею электронного микроскопа случайно. Они разрабатывали системы фокусировки и управления пучком электронов и при этом получили изображение объекта, оказавшегося на пути пучка. Возможно, все так и было, но, честно говоря, к тому времени идея уже созрела и лежала на поверхности. Подтверждением этому служит тот факт, что ее реализовали практически одновременно несколько исследователей. В историю по разным причинам вошел Эрнст Руска.

Он родился в Гейдельберге в профессорской семье. После окончания Технического университета в Мюнхене и короткой стажировки в компании “Siemens” Руска в 1928 году приступил к выполнению диссертации в Техническом университете Берлина под руководством Макса Кнолля. Темой работы было воздействие магнитного поля на пучки электронов. Диссертацию Руска защитил лишь в 1934 году – ему пришлось на пару лет отвлечься на создание прототипа электронного микроскопа, а кроме того, в 1933 году он перешел работать в одну из берлинских фирм, где занимался разработкой телевизионных передатчиков и приемников.