Технология сканирующей туннельной микроскопии

В 1981 г. швейцарец Герд Бинниг и немец Генрих Рорер разработали технологию сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), позволявшую ученым визуализировать атомы. В 1982 г. Бинниг и Рорер представили модель первого типа сканирующих зондовых микроскопов — сканирующего туннельного микроскопа. За эту работу они в 1986 г. были удостоены Нобелевской премии по физике.

В сканирующем туннельном микроскопе зондом служит чрезвычайно острая металлическая игла. Если проводить аналогию с оптическим зондовым микроскопом, то в туннельном микроскопе функцию отверстия зонда выполняет острие иглы. Из него вместо света «провисают» квантовомеханические волны электронов, содержащихся в металле острия. Длина таких электронных волн примерно в тысячу раз меньше световой. Поэтому они «освещают» площадку в тысячу раз меньшего размера, чем оптический зонд. Когда электронная волна касается исследуемой проводящей поверхности (это происходит при расстоянии между зондом и поверхностью около 1 нм), электрон с острия может «перепрыгнуть» на поверхность, иначе говоря, туннелировать.

Туннелирование означает появление электрического тока в цепи зонд — поверхность. Правда, тока очень слабого — в миллиардные доли ампера, но усиление его средствами современной электроники проблемы не представляет. Туннельный ток сильно зависит от расстояния между острием и поверхностью. Уменьшение расстояния на пару ангстрем, т. е. примерно на размер атома, увеличивает туннельный ток в тысячу раз.

Технология СТМ позволила не только изучать структуру атомов, но и измерять электрическое или магнитное поля молекул или атомов. Разработка СТМ способствовала прогрессу в исследованиях полупроводниковых и металлических материалов.

С помощью сканирующей туннельной микроскопии были исследованы углеродные нанотрубки — крошечные цилиндры диаметром 0,5–10 нм и длиной примерно 1 мкм, которые являются особой кристаллической формой углерода. Углеродные нанотрубки стали новым материалом.

На основе углеродных нанотрубок разработан новый вид искусственных мышц. Несмотря на то, что размер нанотрубок в 10 тыс. раз меньше толщины человеческого волоса, они способны поднимать вес в 100 ООО раз превосходящий их собственный, а это означает силу, примерно в 85 раз превышающую максимальные возможности натуральных мышц соответствующего размера. Искусственные мышцы созданы из углерода и парафина соответствующего размера. Главный недостаток сканирующей туннельной микроскопии — возможность исследования только проводящих образцов и невозможность работы в жидкостях, что часто исключает работу с биологическими объектами.