Текст книги "Нанонауки. Невидимая революция"

Автор книги: Кристиан Жоаким

Соавторы: Лоранс Плевер
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 11 страниц)

Нанотехнологии, выходит, готовят нам мир, в котором будет «много глаз на дне», выражаясь в духе знаменитого речения Фейнмана [30]30
  «There’s plenty room at the bottom» («На дне места много» (англ.).


[Закрыть]. Незримые нанороботы станут внедряться в наши тела; видеокамеры в виде соринок будут плавать в наших головах и надзирать за нами; пылинки, прилипшие к стенам и потолкам, примутся собирать информацию и шпионить за нами… Помню, как мне позвонила одна особа, прося совета: недавно она подверглась операции и опасалась, что хирург внедрил в ее тело полчище нанороботов. Она сетовала на этих крошечных тварей – они же всегда и все слышат. Дама была готова приехать ко мне в Тулузу на «прием»; умоляла меня избавить ее от настырных невидимых лазутчиков!

Да мыслимо ли разместить столько «глаз», размером с молекулу каждый? Да и поместится ли такое «око» в молекуле? Как-никак подобной системе понадобится вычислительное устройство («бортовой компьютер»), передатчик и антенна – и все это в одной молекуле! Нет, места наверняка не хватит. Вспомним о масштабе: вот он, этот наноробот-шпион росточком в десяток нанометров. Нередко такой агрегат рисуют в виде хорошенькой гладенькой скорлупки, из которой торчат мини-клещи или крошечные щипцы – чтобы разделываться с молекулами, которые заботятся о сохранности своего атомного строения. Такая картинка показывает беспочвенность мечты о нанороботах: в самом деле, мы видим привычного нам макроскопического робота, и оснастка у него вполне макроскопическая, только воображение фантазера ужало его до размера молекулы – или пары-другой молекул. Ладно, пускай, но давайте представим себе, что наноробот с радиоидентификатором все-таки удалось построить. И внедрить в тело человека. На новом месте он не застрянет в какой-то одной точке, но станет перемещаться. Сигнал, передающийся таким устройством, затеряется и смажется – из-за многочисленных преломлений и отражений радиоволны от различных участков тела. А установить с ним прямую связь представляется делом еще более трудным, если не безнадежно невозможным. Кроме того, понадобится какой-то особенный канал связи, некоторая площадка для обмена наносигналами с этим нашим нанороботом. Но уж очень он мал для наших нынешних коммуникационных систем. Сегодня мы можем поддерживать связь с системами величиной во многие микрометры, то есть о коммуникации с нынешними радиоидентификаторами и, наверное, с теми, которые появятся в ближайшие годы, и речи не идет. Вряд ли есть смысл миниатюризировать эти электронные устройства до предела: микрометрический масштаб, очевидно, оправдан, но нанометрический – вряд ли. Просто потому, что возможное на первом уровне недостижимо на втором. Так что лишь путаница между названной парой масштабов объясняет мечтания о нанороботах, наделенных такими мудреными умениями и обремененных такими затейливыми обязанностями, которые совершенно не по силам и более «крупным» устройствам.

Но давайте отставим в сторону эти технические вопросы и представим себе, что вопреки ожидаемому ученые все-таки сумеют – через двадцать, пятьдесят или сто лет – смастерить молекулярный радиоидентификатор и даже научатся обмениваться информацией с одинокой молекулой, блуждающей по внутренним пространствам человеческого тела. Ну и что? Зачем эти нанокорабли? Никто не знает, что с ними делать, потому что никто не может предсказать, каковы будут нравы в обществе с такими возможностями, в чем оно будет нуждаться и чего хотеть.

Национальная комиссия по информатике и свободам ( CNIL) уже ударила в колокола, выражая тревогу по поводу нынешних радиоидентификаторов. Эти устройства, полагает комиссия, могут содержать сведения, которые, хоть и кажутся несущественными, тем не менее касаются конкретного человека. По этой причине комиссия настояла на распространении закона об «Информатике и свободах» и на радиоидентификаторы, хотя он вообще-то разрабатывался для информационных картотек.

Вперед, к наномедицине?

Кому не хочется всегда хорошо себя чувствовать и никогда не иметь поводов жаловаться на здоровье? Однако стоило на горизонте замаячить призраку «молекулярной медицины», сулящему, что молекулы-машины будут на молекулярном уровне выявлять первые признаки грозных генетических мутаций, как общество заволновалось: а надо ли дозволять медицине такое? Куда она идет и как далеко зайдет? Допустимо ли «исправлять» генетическую предрасположенность к онкологическим заболеваниям, хотя заведомо неизвестно, будет ли рак или его не случится, или лучше довольствоваться лишь недолговечными и временными мерами при лечении не столь тяжких недугов? А многие люди вообще не стали задавать лишних вопросов, решив дожидаться этой самой грядущей «наномедицины», которая усовершенствует тело человека и даже дарует ему бессмертие.

В числе этих «надеющихся» – Том Морроу, Макс Мор и Наташа Вита-Мор, самозваные футурологи, возглавившие ассоциацию «трансгуманистов» WTA (World Transhumanist Association).«Трансгуманисты» превозносят прогресс и проповедуют «нравственное право служить технологии ради приращения наших физических, ментальных и репродуктивных способностей». «Мы надеемся на расцвет через преодоление наших нынешних биологических ограничений», – заявляют эти люди, рассчитывая на такое изменение хода эволюции человека, в результате которого появятся совсем иные, новые, люди, и «трансгуманисты» объявляют себя предтечами этого нового вида.

Ну а при чем здесь нанотехнологии? Макс Мор в ответ на этот вопрос ссылается на наноматериалы: «Можно внедрить в черепную кость человека молекулы алмаза, чтобы череп стал практически несокрушимым. Ныне наши мозги слишком уж уязвимы, а вот если в черепе будут алмазные нановолокна, то даже прокатись по вашей голове грузовик, вы почувствуете разве лишь незначительное неудобство» [31]31
  Вебсайт Transfert.net. 1 августа 2001 г.


[Закрыть].

Сильнее всего трансгуманисты желают оставаться молодыми, и не просто как можно дольше, но… навсегда. Мечта эта стара как мир: во всяком случае, она обнаруживается уже у первых китайских алхимиков, еще за 4500 лет до нашей эры озаботившихся составлением рецептов бессмертия [32]32
  Serge Hutin. L'Alchimie.Paris: PUF, coll. «Que sais-je?», 2005.


[Закрыть]. Но все их потуги оказались тщетными, им так и не удалось ничего найти, как, впрочем, и никому из тех, кто жил много позже. Трансгуманисты возлагают свои упования на генетику и с жадной нетерпеливостью следят за экспериментами и манипуляциями биологов, надеясь на скорое пришествие ГМБ, то есть генно-модифицированного бессмертия. Еще они надеются на искусственные органы, которые должны заменить те, что человек получил от природы: предполагается, что их можно будет менять, как запчасти у автомобиля. Еще одна греза: киборг – полумашина, получеловек: в мозг встроены чипы, в памяти которых хранятся все энциклопедии (лекарство от провалов в памяти), искусственные глаза умеют видеть с увеличением – как бинокль или микроскоп, да еще и в инфракрасном свете – как приборы ночного видения у десантников или спецназовцев. «Ведь мы уже носим контактные линзы и протезы. Почему бы не увеличить за счет чего-то в этом роде и другие наши способности?» – вопрошают мечтатели. А австралийский художник и трансгуманист Стеларк (stellarc – звездная дуга), уже вжививший в свое тело третье ухо из тефлона (правда, он пристроил этот искусственный орган на плече, что слегка затрудняет его функционирование), отвечает: «Однажды нам всем потребуются имплантации – чтобы увеличить свои знания и усилить свои умственные способности. Я лишь чуть-чуть опережаю вас» [33]33
  Веб-сайт < www.stelarc.com>


[Закрыть].

Трансгуманистам очень не нравится, что их тела непрерывно стареют и в конце концов – что совсем уж возмутительно! – обречены на смерть. Раз уж из-за тела возникают такие неприятности, то нельзя ли обойтись как-то без него? Но как это – без тела? А очень просто: «достаточно» просканировать содержимое мозга и передать полученную информацию в память компьютера – и вы сможете воскресать, когда захочется, либо в одном теле, либо в другом, либо, в самом крайнем случае, в абстрактной логической форме, бытующей в виртуальном пространстве, и пребывать в этаком «цифровом раю».

Что? Вас не прельщают столь заманчивые перспективы, и вы не пляшете от восторга, предвкушая подобное будущее? «У нас в Соединенных Штатах есть такие люди – амиши [34]34
  Амиши по происхождению – голландцы и немцы из Нижней Саксонии, по вероучению – меннониты, возникли как самостоятельная религиозная общность в 1620 г. и сохраняют в быту обиход XVII в.: не пользуются электричеством, вместо автомобилей у них лошади и телеги и даже одежда у них без пуговиц. ( Примеч. перев.)


[Закрыть], это – религиозная группа, члены которой в повседневной жизни годами держатся определенных приемов ради сохранения социального равновесия. Чем-то на них похожи и те – назовем их „гуманиши“, – что решили остаться людьми в строгом смысле слова, а именно: не подвергаться генетическим манипуляциям, не расширять сознание, не усиливать способности мозга и не жить слишком уж долго [35]35
  Transfert.net, 1 августа 2001 г.


[Закрыть]», – объясняет Макс Мор, выказывая некоторое снисхождение к заблудшим овцам.

На вопрос «Да будет ли этому предел?» трансгуманисты безмятежно отвечают, что никаких пределов нет и быть не может. И ссылаются на сочувствующих, а среди них вроде бы числятся такие знаменитости [36]36
  Sussan R. Les Utopies posthumaines.Sophia; Antipolis: Omniscience, 2005, Coll. «Les Essais», diffusion PUF, 2005.


[Закрыть], как отец искусственного интеллекта Марвин Мински, «папаша» робототехники Ханс Моравец или Рей Кёрзуэйл – изобретатель синтезатора, выставляемого в качестве доказательства немалых научных заслуг. Этот самый Рей Кёрзуэйл предсказывает, что человек сподобится бессмертия лет через двадцать – потому что миллионы микророботов размером с шарик кровяного тельца будут днем и ночью чинить наши органы и восстанавливать, а то и творить новые ткани [37]37
  Kurzweil R. Fantastic Voyage: Live Long Enough to Live Forever.Emmaus (Pa.): Rodale, 2004.


[Закрыть].

Удивительное дело, но самыми рьяными распространителями подобных измышлений оказываются… самые яростные противники трансгуманистов, причем представители обеих спорящих сторон изображают своих идеологических врагов сущими пугалами. «Вообразите себе мир, о котором мы мечтаем: мы просто хотим полной свободы для прогресса, нанотехнологий, генетики, информатики», – заявляют сторонники «преодоления человеческого». И утверждают, что их движение оказывает немалое влияние на человечество. В сентябре 2007 года в ассоциации трансгуманистов насчитывалось 4519 членов: половина – в Соединенных Штатах, треть – в Европе. Цифра, что и говорить, серьезная.

А КАК НАСЧЕТ ОБОРОНКИ?

В серии мультипликационных фильмов «Волшебник Мерлин» Уолта Диснея этот самый Мерлин отчаянно борется с Колдуньей, применяя весь свой волшебный арсенал. В последнем фильме чародей обращается к самому мощному оружию: он превращается в вирус и становится невидимым. Недруги нанотехнологий возмущаются тем, что за наноустройства могут ухватиться военные, у которых вечно одно на уме – как бы побольше истребить народу, а ведь речь идет о незримом оружии, которое, небось, пострашнее оружия видимого. Исследовательские лаборатории, существующие на государственные или общественные деньги, прибавляют к своим названиям или к названиям своих исследований приставку «нано», чтобы урвать толику тех финансовых благословений, которыми власти поощряют «совершенствование» вооружений. Однако если приглядеться, то окажется, что почти любое новое оружие создают, прибегая по большей части к классическим методам миниатюризации.

Ничего такого уж особенно подходящего для войны в нанотехнологиях нет. Ну да, Массачусетский технологический институт (M IT) в Соединенных Штатах получил от американской армии средства на создание Института наносолдата ( Nano-Soldier Institute).Разумеется, MITне мог упустить случая попасть под тот финансовый дождь, что так щедро орошает нанотехнологии. В институте начались работы по созданию наноматериалов, которые повысят боеспособность войск, – позволят разработать снаряжение, защищающее воина от ранений – и, стало быть, увеличат его шансы уцелеть в бою. Но никакого незримого оружия, так пугающего нынешних обличителей военщины, в Массачусетсе не изобретают, да и жутко секретную нанобомбу не мастерят. Кстати, на что она может быть похожа, эта сверхкрошечная – с большую молекулу – бомба? И на что она – такая – воякам?

Как бы то ни было, не важно, получится ли что-нибудь с этой нанобомбой или нет, превзойдет ли она своей смертоносностью мини– или макробомбы. Дело тут вовсе не в военной технике. Главное – догадается ли оборонная промышленность, как приспособить новые идеи и методы к человекоубийству. Этот спор не вчера начался, да и ответ или, точнее, вывод известен давно: пока весь мир не разоружится, не проведет полнейшую и окончательнейшую демилитаризацию, правительства государств будут продолжать извлекать все самое лучшее из научных достижений ради безопасности своих народов. Дело в обществе, в котором есть и милитаристы, и антимилитаристы. А какой величины будет орудие уничтожения… а какая разница…

ЧТО ЕЩЕ?

За последние десятилетия появилось столько новых технологий. «Довольно! – кричат некоторые. – Сколько можно? Слишком много для нашей цивилизации, невыносимо много для нашей планеты». Немецкий социолог Ульрих Бек так объясняет происхождение подобных мнений: мы переходим от индустриального общества, в котором прогресс оборачивался все большими благодеяниями, а несчастья и огорчительные происшествия носили местный или ограниченный характер, к такому обществу, в котором риски приобретают планетарный масштаб, а возможный размах техногенного бедствия становится необозримым (например, загрязнение окружающей среды в результате аварии на АЭС). Риски не поддаются «приручению», и даже правительственные инстанции не могут их «одомашнить». Государство обвиняют в неспособности гарантировать безопасность своих граждан и даже подозревают в утаивании информации (скандал с заражением крови, удар Чернобыля по Франции…). И прогресс уже видится не как благодеяние, а так… – состояние, что ли.

Опасности, приписываемые нанотехнологиям, становятся ставкой в политической игре. В Великобритании принц Чарльз взволнован «огромными экологическими и социальными рисками», связанными с нанотехнологиями, и обеспокоенность престолонаследника побудила лорда Сейнсбери, министра, ответственного за науки, потребовать отчета у Королевского научного общества и Королевской инженерно-технической академии [38]38
  Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties.Доклад Королевского общества и Королевской инженерно-технической академии. 29 июля 2004 г.


[Закрыть]. В ноябре 2006 года нанотехнологии стали предметом слушания о «потенциальных рисках этической природы» в Национальном собрании Франции. Депутат от департамента Изер предложил, чтобы «Франция выступила на международном уровне с инициативой создания инстанции по контролю и надзору за нанотехнологиями», тогда как избравшие его в парламент экологи из Гренобля потребовали, чтобы в их городе был объявлен мораторий на исследования, связанные с нанотехнологиями.

«Хватит!» – вопиют и те воинствующие противники нанотехнологий, что в своих воззваниях к осторожности доходят до требования запретить не только их использование, но и все исследования нанометрического мира. Запрет сомнительных плодов науки дополняется отказом от избыточного потребления. «Нам не нужны все эти мудреные электронные побрякушки! Не будем покупать бесполезные игрушки – подобные выдумки только пачкают природу: и когда их мастерят, и когда ими забавляются, и когда их выбрасывают! Долой электронный хлам! Долой моду на нано!» – восклицают бойцы гренобльского товарищества экологов. Яростные нападки на нанотехнологии увязываются с модным требованием остановить рост экономики. Новоявленные противники прогресса полагают, что для замедления экономического роста необходимо отказаться от научных исследований, и видят в науке неиссякаемый источник, из которого черпают производители товаров, потакающие самым прихотливым вкусам. Из этой нечистой утробы рождаются новые технологии, пакостящие природе, так что выход один: закрыть все научно-исследовательские лаборатории! «Нас с каждым часом становится все больше, а наш голос – все громче! Мы требуем отказа от экономического развития и научных исследований – это лишь пустые слова, означающие разве что нынешний порядок, то есть будущее без будущего» [39]39
  Из брошюры комитета «Обломофф» [Oblomoff],датированной 20 марта 2007 г.


[Закрыть]. Но способна ли цивилизация, во всяком случае, такая, как наша, остановиться в своем развитии? Да и что такое вся наша планета, если не система, претерпевающая непрерывную эволюцию? Как помешать человечеству обновляться?

А что подумают восточные страны, услыхав призывы отвернуться от прогресса и еще в колыбели удушить нанотехнологии? Ибо громогласное недоверие к новшествам, в сущности, заметно лишь в Европе (где трудно услыхать доброе слово о нанотехнологиях, если вы не среди ученых) и в Северной Америке, где, надо сказать, к этим крикам не очень-то прислушиваются: населению по большей части любопытны успехи науки и техники. В Азии, в странах, вставших на путь развития, на нанотехнологии поглядывают благосклонно, надеясь, что очередное научное открытие будет сопряжено с экономическим прорывом, который, быть может, облагодетельствует и их. В Сингапуре, например, – а это государство практически лишено сырьевых ресурсов – развитие электронных технологий, почти не нуждающихся в сырье, рассматривается как огромная удача и счастливая находка, обещающая сокращение импорта и ускорение экономического роста. Такие страны, очевидно, будут всячески поддерживать нанотехнологические изыскания.

Большие государства, в частности Индия и Китай, пошли по западному пути, воспроизводя на свой манер Национальную нанотехнологическую инициативу ( NNI)североамериканской державы. Однако отдельные молодые ученые из этих и других развивающихся стран стремятся миновать хоженые тропы и, обратившись от нанотехнологий к нанонауке, испытать иное научное приключение, а не то, что предлагает им NNI.

Ресурсы планеты небезграничны, а потому просто необходимо придумать какой-то иной образ развития вместо нынешнего нашего, непрестанно истребляющего невозобновляемые сырьевые и энергетические запасы и почти не ведающего хотя бы вторичного использования отходов. Хорошо бы вообще потреблять как можно меньше сырья и энергии. Как знать, может быть, кому-то из современных ученых и удастся показать, что мир способен развиваться, сохраняя при этом нашу планету.

В ПОИСКАХ ЗДРАВОГО СМЫСЛА

Споры о нанотехнологии сопровождались вопросами, вполне серьезными, без хихиканья над бреднями научных фантастов, сулящих апокалиптический сценарий конца света, когда планету покроет серый кисель. Изобретались страшилки, выдававшиеся за осмысленные аббревиатуры, – вроде АМО (атомномодифицированные организмы), под которыми не кроется ничего осязаемого. Так чего бояться? Неужто нечего? Таковы уж разговоры на эти темы, что насущные вопросы не затрагиваются. Общество, привлеченное было горячностью спорщиков, очень скоро начинает скучать и поворачивается к иным, тоже неотложным предметам.

Прогресс науки порождает серьезные вопросы. Стоит ли упорствовать, настаивая на продолжении исследований, коль скоро закон Мёрфи, гласящий, что «все, что может испортиться, портится», никто не опроверг? Во имя принципа предосторожности, во имя неведомого будущего кое-кто – и это не один человек и даже не два – домогается моратория на нанотехнологии. «Достаточно ли мы контролируем себя, чтобы контролировать эти технологии?» – вопрошают обеспокоенные. Философ Поль Вирилио писал: «Обновление корабля – это уже и обновление мореплавания; изобретение паровой машины, локомотива, было еще и изобретением схождения поезда с рельсов, то есть железнодорожной катастрофы <…> всякий этап технического прогресса приносил не только свой набор инструментов и машин, но и специфические происшествия и несчастные случаи, а также разоблачителей „отрицательного“ в развитии научной мысли» [40]40
  Un paysage d’événements,Paris: Galilée, Coll. «L’Espace critique», 1997.


[Закрыть].

Отказывающиеся от науки хотят остановить ее, не допустить, чтобы она шла дальше, к нанотехнологии, или требуют хотя бы, чтоб она сделала паузу. Но дело не в нанотехнологиях. Сегодня, как и в любое иное время, все сводится к вопросу о природе или сущности той искорки, которая подвигает некую личность на познание мира вокруг себя или мира внутри себя. Эта искра – то ли демон, то ли добрая фея – прячется в каждом из нас. И никто не имеет права затаптывать и гасить эти искорки.

Приложение I
Коротенькая история микроскопа

Увидеть молекулу через увеличительное стекло невозможно, никакой лупе это не под силу. Размер молекулы воды – 0,3 нанометра, то есть 0,3 от миллионной доли миллиметра. Молекула бензола побольше – 0,5 нм. Состоящие из углерода, кислорода и водорода молекулы липидов и глицинов еще крупнее – до 1 нм. А состоящие из аминокислот молекулы белка вдесятеро больше – с десяток нанометров. ДНК – вообще молекула-великан, «макромолекула», длина которой доходит до многих микрон, а если такую скрученную в спираль молекулу расплести, она растянется на многие метры. Но даже эту воистину гигантскую молекулу в лупу увидеть невозможно.

Какой же прибор взять, чтобы все-таки углядеть молекулу? Оптический микроскоп позволяет благодаря лучам света увидеть в объектив увеличенное изображение малюсенького объекта. В наши дни микроскопы с увеличением в тысячу раз продаются в гипермаркетах. За какую-то сотню евро можно наслаждаться созерцанием волосков на лапках блохи и крошечной живности, кишащей в капле воды, или заняться разглядыванием фацетного глаза мухи. Словом, видеть то же, что и Роберт Гук, Антони ван Левенгук, Галилей – первые исследователи, заглянувшие в трубу микроскопа еще в XVII веке.

Глядя в такой микроскоп, вы увидите паутинку или волос диаметром около 50 мкм такими, словно бы диаметр вырос до 5 см. Так что? Если молекула воды «вырастет» в 1000 раз, то есть до 0,3 мкм, то, значит, ее можно будет увидеть? Увы! Что бы вам ни говорили знатоки микроскопов, знайте: изображение молекулы воды никогда никто в объективе микроскопа не видел – и никогда не увидит. Виноваты свойства света: волна света разлагается и преломляется (принято говорить о «дифракции»), проходя через любой объект, величина которого соизмерима с длиной волны. А видимый свет – это электромагнитные волны длиной около 0,1 мкм. Изображение в этом случае расплывается или вообще пропадает из объектива.

В других микроскопах вместо видимого света используются невидимые лучи (ультрафиолетовые, инфракрасные) или пучки элементарных частиц, а в туннельном микроскопе, многократно упоминавшемся в этой книге выше, работают квантовые явления.

Сегодня микроскопы принято делить на две категории. Если источник света или элементарных частиц располагается поодаль от наблюдаемого объекта, то такой микроскоп называют микроскопом дальнего поля, если же источник и объект рядом, прибор относят к классу ближнего поля (расстояние оценивается относительно длины волны используемого излучения). Чтобы уяснить различие, давайте получше присмотримся к тому увеличительному стеклу, которым в 1668 году воспользовался голландец ван Левенгук. Его увеличительное стекло представляло собой, в сущности, микроскоп с одной линзой почти сферической формы. Свет, например от Солнца или лампы, отражаясь от зеркал, освещает объект и отражается от него. Затем лучи света проходят через линзу и, попадая в объектив, выстраивают увеличенное изображение, наблюдаемое непосредственно. Источник света удален от объекта, и потому линза ван Левенгука входит в класс микроскопов дальнего поля.

Слепой «видит» предмет, ощупывая его: осязание подменяет зрение. Обводя объект пальцем, линия за линией, незрячий может составить в своем сознании некое ментальное изображение объекта. Поступая таким образом, слепец прибегает к приему «ближнего поля». А если вместо пальца тончайшая игла? Тогда, если точно отладить колебания иглы, можно с высоким разрешением получить, точнее, реконструировать (по перемещениям иглы), изображение наблюдаемого объекта. Микроскопия ближнего поля изобретена затем, чтобы заменить микроскопию дальнего поля в тех ситуациях, когда в дело вмешивается дифракция.

Рис. 1. – Химическое строение молекулы металлического фталоцианина, впервые синтезированного в 1927 году швейцарскими химиками Э. де Дьебашем и Э. фон дер Вайдом. Металлическим это соединение называется потому, что один из атомов молекулы фталоцианина замещен атомом металла, в данном случае – формула C ₃₂H ₁₆CuN ₈– меди. На рисунке этот центральный атом металла обозначен литерой М. Выяснить структуру молекулы удалось в 1936 году благодаря рентгеновским лучам и эффекту дифракции. Чтобы дать представление если не о размерах молекулы, то хотя бы о масштабах, укажем, что длина воображаемой диагонали между центральным атомом металла M и двумя расположенными по обе стороны от него атомами азота N равна 1,5 нм

Чтобы читатель лучше представил себе основные этапы истории микроскопа, мы расскажем о приключениях одной молекулы, сильно поспособствовавшей прогрессу микроскопии (и других исследовательских методик) на протяжении почти столетия: это фталоцианин меди (рис. 1).Размеры этой молекулы – средние, а само соединение получают в виде раствора, кристаллов или осадка на твердой поверхности, для удобства наблюдения. Впервые фталоцианин меди был получен в 1927 году, а в наши дни он встречается на каждом шагу: если пластиковая сумка, в которую упаковали ваши покупки в супермаркете, синеватая или голубоватая, то в пластике наверняка есть фталоцианин.

ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

Приключения фталоцианина меди начались в 1933 году, когда английский химик Патрик Линстед решил определить его атомную структуру. Для этого он воспользовался дифракцией рентгеновских лучей. Метод этот не относится к собственно микроскопии, потому что изображение молекулы получается «окольным путем». Само название приема говорит об использовании дифракции – явления, так мешавшего микроскопии. Просвечивая кристалл образца рентгеновскими лучами, получают геометрический образ, узлы которого расположены соответственно расстояниям между атомами, что и позволяет представить схему строения кристалла.

В молекулярном кристалле громоздятся миллиарды одинаковых молекул. Они почти недвижны просто потому, что двигаться некуда: соседние молекулы мешают. Эта их недвижность и позволяет получать изображения. Если кристалл тонкий, то видимый свет через него пройдет. Однако длины волн видимого света (400–800 нм) слишком уж велики, чтобы нести какую-то информацию: получается что-то вроде стрельбы из пушек по воробьям или раскалывания орехов бульдозером. Нужны волны много короче. Рентгеновские лучи годятся как нельзя лучше: длины волн соизмеримы с межатомными расстояниями внутри кристалла, то есть измеряются считаными нанометрами, если не меньше. Чтобы не вдаваться в историю, приведем лишь один пример. Рентгеновское излучение помогло выяснить структуру хлорида натрия (иначе поваренной соли): кристалл, оказывается, состоит из квадратных корзинок, а длина стороны квадрата – 0,4 нм. Собственно, это – расстояние между соседними атомами, точнее, ионами хлора и натрия.

Патрик Линстед привлек к своим исследованиям одного молодого ученого по имени Джон Робертсон, который после долгих вычислений выяснил, как устроен кристалл, состоящий из молекул фталоцианина меди, и понял, как построена сама молекула: это квадраты со стороной 1,3 нм.

ФТАЛОЦИАНИН МЕДИ НА ФОТОГРАФИИ

Работа всех нынешних электронных микроскопов основана на одном принципе. Металлическая, очень тонкая игла подводится к металлической пластинке. Если между иглой и пластинкой приложено электрическое напряжение достаточной величины, с иглы будут стекать электроны. И тогда то, что происходит в этом пространстве, будет зависеть от расстояния между иглой и пластинкой.

В 1930-е годы были изобретены «эмиссионно-полевой микроскоп» (или «автоэлектронный микроскоп») и «электронный микроскоп». И разгорелось ожесточенное и затяжное сражение между коллективами ученых, работающих с этими приборами. Воевали за первенство: кто кого опередит в соревновании за достижение атомного разрешения, то есть за выведение на экран изображения атома. В конце 1960-х годов один из отцов электронной микроскопии во Франции Гастон Дюпуи, выступая перед академическим собранием, заявлял: «Моя цель – увидеть сами атомы». Но впервые эту цель себе поставили – и гораздо раньше – два молодых немца, работавшие в лабораториях фирмы Telefunken(позднее – Siemens),звали их Эрвин Мюллер и Эрнст Руска.

Эрвин Мюллер всегда отличался любопытством и упрямством. И вот однажды он вознамерился доказать, да так, чтобы никто не посмел усомниться, что пучок электронов, излучаемых из некоторой точки, содержит информацию о расположении атомов в этой точке. Установив на достаточном удалении от этой самой точки люминесцентный экран, он надеялся получить увеличенную светящуюся проекцию расположения атомов – подобно тому, как высвечиваются силуэты в китайском театре теней. Чтобы проверить свою догадку, Мюллер придумал в 1936 году автоэлектронный микроскоп. Увы! Как он ни старался, получить изображение атомов не удавалось. Но однажды – это случилось уже в 1951 году – он пришел в лабораторию, и все у него с самого начала пошло наперекосяк: внутрь ограждения, где находилась установка, попало небольшое количество водорода. Загрязнение! А сам экспериментатор невзначай поменял полярность напряжения между иглой и пластинкой. И на кончике иглы появились ионы водорода. То есть пучок заряженных частиц теперь состоял не из электронов, а, пусть отчасти, из ионов водорода. И, попав на люминесцентный экран, они нарисовали… схему расположения атомов!

Мюллер продолжил свои эксперименты с более тяжелыми газами, выбирая те, что не так, как водород, охотно вступают в химические реакции, например гелий или неон, старательно подбирая при этом вольфрамовую иглу, и в конце концов добился того, что на экране появилось изображение тех атомов вольфрама, которые попали на кончик иглы. Таким образом Эрвин Мюллер первым получил изображение одиночного атома. Случилось это в 1955 году. А в 1991-м человек впервые сумел сдвинуть атом с места – иглой туннельного микроскопа. Это был Дон Эйглер, исследователь, работавший на IBMв Калифорнии. Но это уже совсем другая история, о которой рассказывалось в главе 3.

О том, что случилось после описанных опытов Мюллера, знают куда меньше. А ведь и он ввел, по своей воле или еще как – кто знает? – в эксперименты толику фталоцианина меди. На кончике иглы поместилось несколько молекул. На экране возникло знакомое изображение атомов вольфрама, но появились и какие-то странные пятнышки: каждое такое облачко делилось на четыре симметричные дольки. Расстояние между двумя атомами вольфрама на кончике иглы известно, значит, оно годится на роль эталона для определения размеров долек. Мюллер сравнил вычисленные значения с величинами расстояний, полученными Робертсоном с помощью дифракции рентгеновских лучей, – все сходилось! Так Эрвин Мюллер получил в 1957 году первое изображение одиночной молекулы ( рис. 2). А фталоцианин меди еще раз выступил в качестве предмета и повода научной премьеры.