Pisanie i malowanie... atomem? To możliwe!
Typografia w skali nano z jakiegoś powodu zajmuje głowy naukowców i co jakiś czas otrzymujemy kolejne zaskakujące dzieło skomponowane z kilku atomów. A wszystko zaczęło się od malutkiego napisu IBM wykonanego w 1990 roku skaningowym mikroskopem tunelowym. Jak tworzy się takie napisy i co jeszcze można wykonać za pomocą kilkudziesięciu atomów?
Typografia w skali nano z jakiegoś powodu zajmuje głowy naukowców i co jakiś czas otrzymujemy kolejne zaskakujące dzieło skomponowane z kilku atomów. A wszystko zaczęło się od malutkiego napisu IBM wykonanego w 1990 roku skaningowym mikroskopem tunelowym. Jak tworzy się takie napisy i co jeszcze można wykonać za pomocą kilkudziesięciu atomów?
Widoczny na zdjęciu poniżej napis został wykonany za pomocą 35 atomów. Pokaz ten miał udowodnić, że doskonałe narzędzie do obserwacji może też służyć do manipulacji pojedynczymi atomami. Donald Eigler oraz Erhard Schweizer nie tylko ułożyli napis z pojedynczych atomów, ale dokonali pierwszej takiej manipulacji.
Płótnem dla tego dzieła był schłodzony kryształ niklu, a farbą atomy ksenonu. Pędzlem była specjalna igła, która jest bardzo ważnym elementem mikroskopu (o czym za chwilę). Schłodzenie kryształu miało ustabilizować płótno tak, by atomy niklu nie "zaszumiły" obrazu. Co więcej, ksenon jest stabilny w tak ekstremalnie niskich temperaturach i w połączeniu z zastosowanym tłem. Skala manipulacji jest imponująca. Widoczny na zdjęciu napis został uchwycony w powiększeniu 2900000x.
Jaki był cel eksperymentu? Manipulacja na poziomie molekularnym pozwala na konstruowanie możliwie najmniejszych i możliwie najwydajniejszych tranzystorów lub innych struktur elektronicznych. Wiemy już, że jesteśmy w stanie to zrobić. Przed nami wciąż opracowanie procesu technologicznego, który pozwoliłby na opłacalne i szybkie produkowanie takich urządzeń. A naprawdę warto! Wystarczy 12 atomów by przechować 1 bit informacji.
Natychmiast pojawili się naśladowcy. Napisy i rysunki pojawiły się wszędzie tam, gdzie znajdował się mikroskop STM. Prób dokonywano pojedynczymi atomami oraz na większą skalę, jak widać to na zdjęciu poniżej (logo instytutu CeNS).
Jak oni to zrobili?
Przyjrzyjmy się zatem procesowi twórczemu. Wspomniana wcześniej powierzchnia niklu została wcześniej naparowana ksenonem w celu losowego umieszczenia na powierzchni płótna atomów gazu. Następnie umieszczono nad powierzchnią igłę w odległości 0,5-1 nm. Niesamowicie precyzyjne ruchy igły można uzyskać za pomocą piezoelementów, czyli tworzyw zmieniających rozmiary pod wpływem pola elektrycznego.
Następnie przez próbkę i igłę przepuszcza się prąd tunelowy o konkretnym natężeniu. Prąd ten zmienia się wraz ze zmianą odległości igły od próbki. Oznacza to, że przesuwając igłę nad powierzchnią niklu możemy uzyskać jej topografię, czyli dokładny obraz wyżyn i dolin. Przypomina to nieco odczytywanie płyty kompaktowej przez promień lasera.
Skanowanie powierzchni niklu kończono tuż nad znalezionym atomem ksenonu. Zbliżano do niego igłę i zwiększano jednocześnie oddziaływanie. Gdy igła została przesunięta, atom wędrował za nią. Po odpowiednim ułożeniu atomu igłę oddalono i czynność powtórzono z pozostałymi 34 elementami napisu. Film poniżej wyjaśni wam wizualnie na czym polega przesuwanie atomów za pomocą mikroskopu.
A gdyby dało się szybciej i efektowniej?
Poniższy film animowany to "Chłopiec i jego atom". Jedyna różnica między tym filmem a klasyczną animacją jest użyty surowiec. Zamiast farby wykorzystano atomy. Całość ma 242 klatki, a sam chłopiec składa się ze 130 atomów. Fabuła może nie porywa, ale trud docenić trzeba!
W tym przypadku naukowcy nieco sobie pracę ułatwili. W roli farby zastosowano molekułę tlenku węgla, czyli dwa atomy nałożone jeden na drugi. Na filmie patrzymy na nie z góry, dlatego widzimy tylko ten bliżej igły. Użycie takiego materiału ułatwiło nieco manipulacje i przyspieszyło cały proces, który trwał niespełna 10 dni. Płótnem była płytka z miedzi. Na poniższym zdjęciu możecie obejrzeć mikroskop, pod którym działy się te cuda. To monstrum waży 2 tony i ma temperaturę operacyjną -268°C!
Studio animacji mieści się nieopodal. Sterowanie igłą odbywa się za pomocą myszki i kilku przycisków na ekranie monitora (oraz wyjątkowo starej klawiatury...). Całość godnie prezentuje się na zdjęciu poniżej.
Gdzie jeszcze zaprowadzi nas manipulowanie atomami? Pierwsze co przychodzi na myśl, to nanoroboty. Jak się okazuje, rzeczy dzieją się gdy my marzymy. IBM już teraz zaprojektował nanolek, który nieco przypomina takiego nanorobota i atakuje wybrane bakterie. Oby postęp w tej dziedzinie nie ograniczał się do filmów animowanych.