Нанонауки. Невидимая революция
Шрифт:
Однако на протяжении всего XIX века химиков сильно смущала одна загадка, с которой они то и дело сталкивались: некоторые вещества, состоявшие из, казалось бы, одинаковых молекул, выказывали совершенно разные свойства. Почему это? Что же это такое получается? Шведский химик Йенс Якоб Берцелиус предположил: «Быть может, в будущем эту [тайну] прояснит изучение пространственной формы [молекул]». И назвал эти ставящие в тупик химические соединения «изомерами». Его гипотеза оказалась верной: в 1875 году химики Якоб Ван Гофф и Жозеф Ле Бель обнаружили, что связи атома углерода направлены из центра атома к вершинам некоторого тетраэдра. Молекула оказалась трехмерной, то есть занимающей в пространстве определенный объем. Следовательно, две молекулы, составленные из одинаковых атомов, способны по-разному располагаться относительно друг друга, и, если конфигурации молекул различны, то и их свойства будут разными. Немецкий физик Рудольф
Ученые наконец смогли понять множество наблюдаемых макроскопических явлений, объясняя происходящее поведением молекул. Но вот незадача: никто никогда не видел ни единой молекулы — уж слишком они малы, настолько, что ни в один микроскоп не углядишь. Так что по большому счету молекула оставалась гипотезой, и немало ученых людей, в том числе и самых прославленных, отказывались признавать саму концепцию молекулы. Например, несгибаемый Марселен Бертло, сильный человек, и не только выдающийся ученый, но еще и государственный муж, один из самых влиятельных деятелей своего времени (профессор Коллеж де Франс, член Академии наук, занимал посты министра просвещения и министра иностранных дел), считал само представление о молекуле вздорным измышлением и приклеил к нему ярлык «мистической концепции». Но после 1908 года отрицать молекулы стало неприлично, так как в том году французский физик Жан Перрен представил неоспоримые экспериментальные доказательства их существования.
В 1871 году британский физик Джеймс Клерк Максвелл вызвал настоящую культурную революцию, которая, правда, поначалу осталась незамеченной. Ученый придумал — или вообразил — некую сущность, или существо, или невесть что еще, но это что-то — или кто-то — умел измерять скорость каждой молекулы газа, заключенного в некотором сосуде. Значит, этот демон Максвелла, как его окрестили позднее, действительно должен быть очень маленьким. И ему по силам не только «следить» за молекулами, разбегающимися во все стороны, но и еще как-то сортировать их — по скорости: вялых в одну сторону, резвых — в другую. И если запустить этого чертенка в объем вещества, температура которого — комнатная, то он затолкает половину молекул, медленных, на одну сторону (там получится холодная сторона), а вторую половину молекул, горячих, — на другую (там будет раскаленный угол). Получается, что температура напрямую зависит от скорости молекул. Построения Максвелла — всего лишь мысленный эксперимент, грубо говоря, игра воображения, но, придумав своего «демона», ученый тем самым предложил новое понимание того, что творится на молекулярном уровне. В 1870-е годы молекула, можно сказать, обрела некий уже различимый облик. Понятно, что о каких-то молекулярных устройствах тогда и думать было нечего, и никто даже не заикался о проектировании, тем более производстве подобных приборов. Демон Максвелла никуда не делся, с ним охотно забавлялись творцы термодинамики, но естественно вытекающая из представления о демоне идея молекулярного двигателя была забыта — на добрые сто лет.
В течение XX века демоном Максвелла интересовались и биологи, в частности, Жак Моно. Они пробовали вывести Максвеллова чертика на чистую воду. Ученые, в поисках объяснения элементарных процессов, происходящих в живой природе, решили приглядеться к макромолекулам: одни большие молекулы обеспечивали незыблемость строения клетки, другие брались за иную работу. И вот в 1947 году американский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи — он еще открыл витамин С — предположил, что белки заставляют электрон двигаться вдоль своего атомного каркаса, примерно так, как это происходит в электрическом проводе. Молекула еще не сравнялась по сложности с двигателем, не уступающим в сложности демону Максвелла, но Сент-Дьёрдьи уже приписал ей способность проводить электрический ток и, значит, признал, что вовсе не обязательно сначала производить некоторый материал, а уже потом поручать ему проводить ток. Молекула, всего одна, способна исполнять очень точно конкретные обязанности в сложном процессе сборки. Молекуле в одиночку, как и предполагал Максвелл, по силам творить физику. Демон же продолжал бродить по естественно-научным пажитям и попал в конце концов в руки химиков.
Американский физикохимик Генри Таубе вспомнил идею Сент-Дьёрдьи и, чтобы ее проверить, поставил ряд экспериментов.
В начале 1970-х годов под Нью-Йорком в исследовательских лабораториях Т. Дж. Уотсона, принадлежащих компании IBM,работал американский химик Ари Авирам. Как-то он встретился с Марком Ратнером из Университета штата Нью-Йорк, и после бурных обсуждений эти двое выдвинули идеи, которые было трудно воспринять любому физику того времени, даже весьма увлеченному электроникой и знакомому с новейшими достижениями в этой области. А дело в том, что Ратнер с Авирамом решили: вместо крошечного проводника куда разумнее приспособить к выпрямлению электрического тока молекулу, нужно только заставить ее проводить ток лишь в одном направлении. Для этого они придумали небольшую молекулу длиной 1,2 нм, состоявшую из двух разных частей: одна часть обогащена электронами, а другая — напротив, обеднена ими. Молекула, подключенная к двум электродам, по электроду на каждый край, работала как выпрямитель: электроны с электрода не могли пробиться через область, богатую электронами (те не пускали своих товарищей), но зато легко проскакивали через область, бедную электронами. Значит, электроны переносились через молекулу, то есть можно сказать, что через эту молекулу протекает электрический ток — но только в одну сторону.
Итак, столетием спустя после того, как Максвелл изобрел своего демона, Авирам и Ратнер описали молекулу, которая способна делать то же, что и максвелловский демон, но без всякой бесовщины. Такая молекула — сама по себе прибор. Сверхминиатюризованный. И ведет себя как демон Максвелла: в самом деле, молекула, как и чертик, сортирует частицы, но только не молекулы, а электроны, пропуская их лишь в одном направлении. Более того, эта молекула не смешивается с миллиардами миллиардов других молекул, потому что она может выполнять свое задание, а они — нет. Мысль о превращении одной, непохожей на другие, молекулы в электронный прибор ознаменовала рождение молекулярной электроники. Вот только тут возникла одна непростая задача: как к этой молекуле подсоединить макроскопические электрические провода?
В середине 1980-х годов способов пропустить электрический ток через одну-единственную молекулу не существовало. И Авирам с Ратнером никак не могли доказать, что их молекула умеет выпрямлять ток. От них все только отмахивались: уж очень мала молекула, да и как к ней подвести провода? Других молекулярная электроника просто не интересовала: а зачем все это? Микроминиатюризация и без того движется вперед на всех парах. Мало-помалу сама идея молекулярной электроники выдыхалась.
В 1985 году, будучи молодым ученым, каковым я мог себя считать, поскольку уже написал диссертацию, я пришел к директору находящейся в Тулузе лаборатории оптики Национального научно-исследовательского центра ( CNRS), чтобы ознакомить его с решением задачи подключения, которое долго вынашивалось в моей голове. Мысль — проще некуда: сфокусировать пучок электронов электронного микроскопа на одной молекуле — а вдруг эта молекула пропустит несколько электронов? А потом их — эти проскользнувшие через молекулу электроны — попытаться собрать на электроде, подсоединенном к другому концу той же молекулы. Идея была очень уж наивная, и директор на пальцах растолковал мне, что молекула сразу же сгорит в высокоэнергетическом электронном пучке, так и не успев впустить в себя хоть парочку электронов.
Сам Авирам вел долгие разговоры по тому же поводу со знатоками электронной литографии из IBM.Он домогался от них ответа на такой вопрос: раз уж мы дожили до того, что методами электронной литографии удается формировать на поверхности кремния металлические проводки размером порядка 20 нм, то нельзя ли расщепить такой проводок, чтобы вставить в расщелину парочку-другую молекул? Специалисты, увы, его разочаровали: и проводок не разрезать — нечем и никак, а если бы это даже и удалось, то как добиться такой точности, которая нужна, чтобы щель получилась молекуле по размеру? Чтобы ей в щели было не тесно, но и не слишком просторно?