Нанонауки. Невидимая революция - Лоранс Плевер

Благо, что у нас есть орудие, открывающее врата в этот рай, да еще и предлагающее технические способы обычного технологического порядка, — это изобретенный в 1981 году туннельный микроскоп. Впервые изображение одиночной молекулы было получено в 1957 году, на электронном микроскопе (см. Приложение I). Но туннельный микроскоп позволит не только вывести на экран изображение одной молекулы, но и прикоснуться к этой молекуле иглой микроскопа. Независимость молекулы, то есть ее существование в качестве самостоятельной материальной сущности, превратилась из умозрительного представления в факт, который можно использовать. С тех пор, собственно, и началось приключение по имени нанотехнология. Это она позволяет создавать устройства много меньших размеров, чем все то, что изготавливалось до сих пор: речь о приборах величиной порядка нанометра и допусках точности в десятые доли нанометра.

Нанотехнология, следовательно, — новый этап многовековой эпопеи, именуемой познанием материи или наукой о веществе, а не просто еще одна фаза развития материаловедения.

РОЖДЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ

Прикосновение иглы туннельного микроскопа к молекуле превращает ее в самую малюсенькую машину из всех, какие только возможны. Однако с самого начала понятие молекулы предлагалось как ответ на задачу определения веществ. По определению, молекула есть самая маленькая частица соответствующего вещества. О том, что такое молекула, ученые всегда много и горячо спорили. Джованни Альфонсо Борелли (1608–1679) мыслил вещество — тот или иной его вид (металл, газ, жидкость) — как нагромождение «маленьких машин» (machinulae), причем эти «машинки» то сближаются, то убегают друг от друга. Ученых XVII века мучили неудобства господствовавшего в то время учения Аристотеля, который учил, что все вещество состоит из четырех стихий (лат. «элементы»): земли, воды, огня и воздуха. Среди тех, кого не устраивали идеи Аристотеля, был и нидерландский врач и математик Исаак Бекман, переписывавшийся со многими своими учеными современниками. А еще он регулярно вел научный дневник, который прилежно заполнял размышлениями и описаниями своих экспериментов. 14 сентября 1620 г. он записал, что после деления дозы лекарства пополам обе полудозы сохранили целебные свойства. Последующие деления показали то же, но, рассуждал Бекман, если делить дозу надвое вновь и вновь, наверное, настанет такое время, когда крошечный осколок утратит свои свойства. Бекман назвал эту мельчайшую частичку, сохраняющую целительные свойства, «минимумом». Этот «минимум» означал то же, что и нынешний термин «молекула». Бекман думал, что «минимум» состоит из атомов, которые сделаны из «первичного вещества», хотя и отличаются друг от друга своими «формами». Он при этом уточнил, что можно различить по крайней мере четыре типа атомов (что соответствует четырем стихиям), хотя их может быть и больше (сегодня мы знаем о ста восемнадцати элементах).

В 1621 году Себастьен Бассон пришел к сходным представлениям. Он был богословом, регентом коллегии в Дофине. Интересуясь происхождением и строением вещества, он поначалу изучал древние источники, предшествующие Аристотелю, стало быть, более близкие ко времени сотворения мира и, значит, заведомо более достоверные. Бассон изучил доводы атомистов, доказывавших, что материя непрерывна и состоит из атомов, и решил проверить эти утверждения на опыте, для чего влил тонкой струей немного вина в воду. Вино растворялось и постепенно расходилось по большому объему воды, что, по мнению атомистов, доказывало — вещество делится на частицы. Решив, что вещество состоит из первичных частиц, Бассон тоже заговорил о минимумах. Его минимумы, однако, состояли из тех же четырех стихий, и один минимум отличался от другого долей в его составе тех или иных стихий. Еще он решил, что минимумы собираются в частицы второго порядка, а те — в частицы третьего порядка, и т. д., и эти скопления частиц мало-помалу приобретают вид и размеры тех предметов, которые мы видим вокруг себя. Так родилось представление о молекуле — то есть о мельчайшей частице некоторого вещества, которая, однако, построена из других частиц (стихий или элементов). Правда, само слово «молекула» (molecula) появилось много позже, в 1636 году, из-под пера Пьера Гассенди: этот французский священник присоединил суффикс — кула к слову «моль», означавшего тогда то, что теперь обозначается словом «масса», чтобы перевести слово «частица» в писаниях Диогена Лаэртского — того места, где Диоген рассказывает о философе-атомисте Эпикуре (но древнегреческая молекула совсем не похожа на молекулу, которую мы знаем сегодня).

Молекулы, пусть тогда и бывшие чистым предположением, сильно разволновали ученых, занимавшихся наукой о материи. Антуан Лавуазье (1743–1794) показал, что вещество сохраняет свои свойства — он говорил о тождественности — в любом состоянии: парообразном, жидком или твердом. Водяной пар, вода и лед состоят из одного и того же вещества, только молекулы, которые его образуют, выстраиваются по-разному, в зависимости от конкретного физического состояния. Лавуазье был большим мастером «молекулизации мира»:[14] концепция молекулы еще только развивалась и развертывалась, и лишь к концу XVIII века она утвердилась настолько, что ученые понемногу начали объяснять наблюдаемые явления, прибегая к понятию «молекула».

В XIX веке наука о материи продвигалась вперед так успешно, как никогда ранее. Англичанин Джон Дальтон догадался, что вещество состоит из атомов с разными массами и атомы объединяются в молекулы — так в первый раз прозвучало правильное описание материи. Итальянский химик Амедео Авогадро вскоре показал, что в двух герметичных сосудах одинаковой величины, если в них поддерживаются одно и то же давление и одинаковая температура, содержится одно и то же количество молекул (приблизительно 27 тысяч миллиардов миллиардов, 27 X 1023, молекул на литр), какой бы газ ни содержался в сосуде: молекула приобрела телесность, вещественность, можно сказать, стала осязаемой. Но ученые по-прежнему говорили на разных языках. Так, Авогадро обсуждал свойства не атомов, а «элементарных молекул», зато Джон Дальтон называл молекулы «сложными атомами». В 1860 году в Карлсруэ собрался большой конгресс, чтобы прояснить ситуацию и договориться о терминологии. После ожесточенных споров химики все же согласились принять ряд основополагающих определений, которые почти в неизменном виде в ходу и поныне. Среди прочего было утверждено и различение между атомом и молекулой (группой атомов).

А КАК ОНА ВЕЛИКА, ЭТА МОЛЕКУЛА?

С этого времени умножились попытки определить физические размеры молекулы, само существование каковой, честно говоря, все еще оставалось чистой гипотезой. Австрийский ученый Йозеф Лошмидт (1821–1895) вычислил диаметр «молекулы воздуха»: получилось 9,69 x 10-7 мм, то есть 0,969 наших нынешних нанометров, что, конечно, совершенно замечательно… вот только нет никаких таких молекул воздуха[15]. Английский физик лорд Кельвин (1824–1895), воспользовавшись иным методом, оценил размеры атомов цинка и меди в 0,1 нм. Порядок величины верен. Задолго до этого Бенджамин Франклин (1706–1790) предложил эксперимент, позволивший, пусть на сто с лишним лет позже, рассчитать размеры молекулы. Франклин, как и многие другие, заметил, что растительное масло не смешивается с водой, а образует на ее поверхности тонкую пленку. Положим, что толщина пленки — одна молекула, тогда разделив объем разлитого масла на площадь образовавшегося пятна пленки, получим размер молекулы масла — порядка нанометра (этот опыт и теперь показывают школьникам и студентам).