Микромеханика

Точная механика родилась еще в XVII веке – с появлением стенных и настольных часов. Она не потребовала качественного технологического скачка, поскольку использовала традиционные приемы, но только в более мелких масштабах. И сегодня, как ни малы здесь детали, их еще можно изготовлять по общим стандартам, работая теми же инструментами и на тех же станках – пусть самых прецизионных, – применяя обычные способы сборки изделий.

«Ключевым тут является, пожалуй, механический обрабатывающий инструмент, – пишет в журнале «Техника – молодежи» Борис Понкратов. – Его возможности и ставят пределы миниатюризации. Но в этих пределах точная механика переживает ныне бурный расцвет. Она все шире внедряется в самую массовую продукцию – фотоаппараты, аудио– и видеотехнику, дисководы и принтеры для персональных компьютеров, ксероксы – не говоря уж о различном специальном оборудовании, например, для состыковки волоконно-оптических линий связи.

Лазерная микрообработка одна занимает целый диапазон, хотя, надо сразу сказать, самостоятельного значения не имеет: принципиально новых операций тут немного. В основном речь идет о пайке микросхем и создании отверстий различной формы (скажем, в фильерах для получения сверхтонких волокон из синтетических смол). Зато настоящего революционного технологического перевооружения требует следующий шаг – микромеханика. Размеры микромеханических устройств таковы, что для их создания недостаточно малых и сверхмалых устройств. В качестве критерия возьмем минимальные размеры объектов, с которыми способна манипулировать данная технология. Для упрощения картины округлим величины с точностью до порядка. И нанеся их на масштабную шкалу, получим своего рода спектр, где каждая технология занимает определенный «диапазон» (примерные минимальные размеры даны в миллиметрах): классическая точная механика – 1, лазерная микрообработка – 0,01, микромеханика и микроэлектроника – 0,0001, нанотехнология – 0,000001».

Рубеж поистине роковой для любых механизмов – расстояния менее 100 нм. Тогда заметно «слабеют» законы классической механики, и все больше дают себя знать межатомные силы, тепловые колебания, квантовые эффекты. Резко затрудняется локализация элементов устройств, теряет смысл понятие траекторий их движения. Короче, в подобных условиях вообще нельзя говорить о «механизмах», состоящих из «деталей».

Микромеханике повезло: ей с самого начала удалось устроиться «на плечах гиганта» – микроэлектроники, получив от нее практически готовую технологию массового производства. Ведь отработанная и постоянно развивающаяся технология сложнейших электронных микросхем лежит в том же диапазоне масштабов. И точно так же, как на одной пластинке кремния получают многие сотни готовых интегральных схем, оказалось возможным делать разом несколько сот механических деталей. То есть наладить нормальное массовое производство.

Кремний, используемый в микроэлектронике, стал основным материалом и для микромеханизмов. Тем более что здесь открылась замечательная возможность создавать и те и другие структуры в комплексе, в едином технологическом процессе. Производство таких гибридов оказалось настолько дешевым, что некоторые образцы быстро нашли применение в производстве самой массовой коммерческой продукции, например, кремниевый акселерометр, которым теперь снабжена одна из известных систем безопасности в автомобилях – надувной мешок.

Инерционный датчик этого прибора спроектирован Ричардом Мюллером из Калифорнийского университета. В общих чертах конструкция предельно проста: кремниевый стерженек диаметром в несколько микрон подвешен над отверстием, проделанным в кремниевой же подложке. Когда возникает ускорение, стерженек с подведенным к нему электрическим потенциалом начинает вибрировать и индуцирует сигнал, поступающий на обработку в микропроцессор, расположенный в десятке микрон по соседству. Достаточно резкое падение скорости (в момент удара при аварии) мгновенно фиксируется акселерометром, и он выдает команду на наполнение воздушной подушки в центре рулевого колеса, предохраняющей водителя от самой типичной травмы – удара о руль или ветровое стекло.

Японская корпорация «Тошиба» создала электромагнитный двигатель диаметром 0,8 миллиметра и весом 4 миллиграмма. Мощность его, разумеется, невелика, но достаточна для миниатюрных роботов, разработкой которых сейчас упорно занимаются ведущие компании страны под общим руководством министерства экономики и промышленности. Помимо «Тошибы» главную скрипку в этой программе играют корпорации «Мицубиси электрик» и «Хитачи». Длина разрабатываемых ими роботов – от сантиметра до нескольких миллиметров. Человек будет заглатывать капсулу с таким устройством, и после растворения ее оболочки аппарат, повинуясь радиосигналам и вложенной в него программе, начнет самостоятельное движение по кровеносным сосудам, желудочно-кишечному тракту и другим путям.

Миниатюрные роботы предназначены для диагностики, проведения микроопераций, для доставки лекарств точно по назначению и в нужное время. Их предполагают использовать также для ремонта и смены батарей у искусственных органов.

Немецкая фирма «Микротек» уже создала прототип медицинского инструмента нового типа – миниатюрную «подводную лодку» для плавания по кровеносным сосудам. Под управлением врача она способна выполнять некоторые операции. Длина этого автономного зонда – 4 миллиметра, а диаметр – 0,65 миллиметра. Двигателя у него нет, винт приводится во вращение с помощью внешнего переменного магнитного поля, которое позволяет развивать скорость до одного метр в час. В дальнейшем микрозонд оснастят фрезой для снятия холестериновых бляшек со стенок сосудов. Он сможет переносить капсулы с лекарством в нужное место. Предлагается и еще один вариант – размещать на таких микроаппаратах генераторы ультразвука. Просвечивая органы пациента изнутри, врачи получат информацию, остающуюся недоступной при обычной диагностике.

Нашли применение и еще несколько скромных, но полезных микроприборов – например, встроенный непосредственно в подшипник измеритель скорости вращения или внутренние датчики артериального давления, сердечного ритма, содержания сахара в крови и других параметров организма, передающие информацию наружу радиосигналом.

Фуллерены

Самое твердое вещество в природе – алмаз. Это углеродное соединение имеет кристаллическую решетку в форме тетраэдра – пирамиды с четырьмя равновеликими треугольными гранями. Его вершины образованы четырьмя атомами углерода. Треугольник – очень жесткая фигура его можно сломать, но деформировать или смять нельзя. Именно поэтому прочность алмаза столь высока. В природе известны кристаллы с решеткой, состоящей не из атомов, а из молекул. Если молекулы достаточно велики и связи между ними сильны, то кристаллическая решетка оказывается чрезвычайно прочной. Этим условиям в полной мере отвечают фуллерены: имея диаметр больше 0,5 нм, они соединяются в кристалл с ячейками размером менее 1,5 нм.

Как это часто бывает, открытие фуллеренов не стало результатом целенаправленного поиска. Основное направление работ в лаборатории Р. Смолли в Университете Райса (Техас), где в 1980-е годы было сделано открытие, связанное с исследованиями структуры металлических кластеров. Методика подобных исследований основана на измерении масс-спектров частиц, которые образуются в результате интенсивного воздействия лазерного излучения на поверхность исследуемого материала.

«В августе 1985 года в лабораторию Смолли приехал известный астрофизик Г. Крото, – пишет Александр Валентинович Елецкий в «Соросовском образовательном журнале», – который работал над проблемой отождествления спектров инфракрасного излучения, испускаемого некоторыми межзвездными скоплениями. Одно из возможных решений этой проблемы, достаточно давно стоявшей в астрофизике, могло быть связано с кластерами углерода, который, как известно, составляет основу межзвездных скоплений. Целью визита Крото в Техас была попытка, воспользовавшись аппаратурой лаборатории Смолли, по масс-спектру кластеров углерода получить заключение об их возможной структуре. Результаты экспериментов привели в шоковое состояние его участников. В то время как для большинства исследованных ранее кластеров типичные значения магических чисел составляют в зависимости от взаимного расположения атомов значения 13, 19, 55 и т п., в масс-спектре кластеров углерода наблюдались явно выраженные пики с числом атомов 60 и 70. Единственным непротиворечивым объяснением такой особенности кластеров углерода явилась гипотеза, согласно которой атомы углерода образуют стабильные замкнутые сферические и сфероидальные структуры, впоследствии названные фуллеренами».

Эта гипотеза, подтвержденная в дальнейшем более детальными исследованиями, по существу и легла в основу открытия фуллеренов. Публикация о первых наблюдениях фуллеренов была направлена в журнал «Nature» уже через 20 дней после приезда Крото в Техас. В этой статье помимо предположения о сфероидальной форме фуллеренов содержались идеи о возможности существования эндоэдральных молекул фуллеренов, то есть молекул, внутри которых заключены один или несколько атомов другого элемента. Дальнейшие исследования подтвердили и это предположение.

Расстояние между молекулами в таких кристаллах меньше, чем расстояние между атомами в решетке алмаза. Кроме того, в ячейках обоих видов есть «особый» фуллерен, взаимодействующий с остальными через 12-16 очень коротких и сильных межмолекулярных связей. Все это и определяет необычайную твердость кристаллического фуллерита: она в два-три раза выше твердости алмаза.

За открытие фуллеренов Г. Крото, Р. Смолли и Р. Керл были удостоены Нобелевской премии по химии.

Подлинный бум в исследованиях фуллеренов начался в 1990 году. Это произошло после того, как немецкий астрофизик В. Кретчмер и американский исследователь Д. Хафман разработали технологию получения фуллеренов в достаточных количествах. Технология основана на термическом распылении электрической дуги с графитовыми электродами и последующей экстракции фуллеренов из продуктов распыления с помощью органических растворителей, например, бензола, толуола. Новая технология позволила многочисленным научным лабораториям исследовать фуллерены не только в молекулярной форме, но также и в кристаллическом состоянии. В результате были сделаны новые открытия. Так, в 1991 году американские ученые обнаружили сверхпроводимость фуллереновых кристаллов, легированных атомами щелочных металлов, с критической температурой от 18 до 40 градусов Кельвина в зависимости от сорта щелочного металла. И по сегодняшний день исследования и разработки в области фуллеренов являются одним из приоритетных направлений мировой науки и технологии. Подобная популярность связана с удивительными физико-химическими свойствами фуллеренов, открывающими возможность их прикладного использования.

Молекулы фуллеренов обладают высокой электроотрицательностью. Они способны присоединять к себе до шести свободных электронов. Это делает фуллерены сильными окислителями. Они способны образовывать множество новых химических соединений с новыми интересными свойствами. В состав химических соединений фуллеренов, входят шестичленные кольца углерода с одинарными и двойными связями. Поэтому можно рассматривать их как трехмерный аналог ароматических соединений. Кристаллы фуллеренов представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1-2 эВ. Они обладают фотопроводимостью при облучении видимым светом.

«Широк круг возможных технологических применений фуллеренов, – пишет Езерский. – Так, использование фуллеренов в качестве присадки к смазочному маслу существенно (до 10 раз) снижает коэффициент трения металлических поверхностей и соответственно повышает износостойкость деталей и агрегатов. Активно разрабатываются также другие возможности массовых применений фуллеренов, связанные, в частности, с созданием нового типа аккумуляторных батарей, не подверженных, в отличие от традиционно используемых батарей на основе лития, разрушению электродов. Особого внимания заслуживает проблема использования фуллеренов в медицине и фармакологии. Одна из основных трудностей, стоящих на пути успешного решения этой задачи, связана с созданием водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов, которые могли бы вводиться в организм человека и доставляться с кровью в орган, подлежащий терапевтическому воздействию. Широко обсуждается в литературе идея создания противораковых медицинских препаратов на основе водорастворимых эндоэдральных соединений фуллеренов (молекулы фуллеренов, внутри которых помещен один или несколько атомов какого-либо элемента) с внедренными внутрь структуры фуллеренов радиоактивными изотопами. Введение такого лекарства в ткань позволит избирательно воздействовать на пораженные опухолью клетки, препятствуя их дальнейшему размножению».

Сканирующий зондовый микроскоп

Наиболее молодое и вместе с тем перспективное направление в исследовании свойств поверхности – сканирующая зондовая микроскопия. Зондовые микроскопы имеют рекордное разрешение – менее 0,1 нм. Они могут измерить взаимодействие между поверхностью и сканирующим ее микроскопическим острием – зондом – и выводят трехмерное изображение на экран компьютера.

Методы зондовой микроскопии позволяют не только видеть атомы и молекулы, но и воздействовать на них. При этом – что особенно важно – объекты могут изучаться не обязательно в вакууме (что обычно для электронных микроскопов), но и в различных газах и жидкостях.

Изобрели зондовый – сканирующий туннельный микроскоп в 1981 году сотрудники Исследовательского центра фирмы ИБМ Г. Биннинг и Х. Рорер (США). Через пять лет за это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.

Биннинг и Рорер попытались сконструировать прибор для исследования участков поверхности размером менее 10 нм. Итог превзошел самые смелые ожидания: ученым удалось увидеть отдельные атомы, размер которых в поперечнике составляет лишь около одного нанометра. В основе работы сканирующего туннельного микроскопа лежит квантово-механическое явление, называемое туннельным эффектом. Очень тонкое металлическое острие – отрицательно заряженный зонд – подводится на близкое расстояние к образцу, тоже металлическому, заряженному положительно. В тот момент, когда расстояние между ними достигнет нескольких межатомных расстояний, электроны начнут свободно проходить через него – «туннелировать»: через зазор потечет ток.

Очень важное значение для работы микроскопа имеет резкая зависимость силы туннельного тока от расстояния между острием и поверхностью образца. При уменьшении зазора всего на 0,1 нм ток возрастет примерно в 10 раз. Поэтому даже неровности размером с атом вызывают заметные колебания величины тока.

Чтобы получить изображение, зонд сканирует поверхность, а электронная система считывает величину тока. В зависимости от того, как эта величина меняется, острие либо опускается или поднимается. Таким образом, система поддерживает величину тока постоянной, а траектория движения острия повторяет рельеф поверхности, огибая возвышенности и углубления.

Острие перемещает пьезосканер, который представляет собой манипулятор из материала, способного изменяться под действием электрического напряжения. Пьезосканер чаще всего имеет форму трубки с несколькими электродами, которая удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с точностью до тысячных долей нанометра.

Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое строится по точкам на экране. Участки разной высоты для наглядности окрашиваются в различные цвета.

В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Если же на конце иглы случайно оказалось несколько выступов, изображение может двоиться, троиться. Для устранения дефекта иглу травят в кислоте, придавая ей нужную форму.

С помощью туннельного микроскопа удалось сделать ряд открытий. Например, обнаружили, что атомы на поверхности кристалла расположены не так, как внутри, и часто образуют сложные структуры.

С помощью туннельного микроскопа можно изучать лишь проводящие ток объекты. Однако он позволяет наблюдать и тонкие диэлектрики в виде пленки, когда их помещают на поверхность проводящего материала. И хотя этот эффект еще не нашел полного объяснения, тем не менее его с успехом применяют для изучения многих органических пленок и биологических объектов – белков, вирусов.

Возможности микроскопа велики. С помощью иглы микроскопа даже наносят рисунки на металлические пластины. Для этого используют в качестве «пишущего» материала отдельные атомы – их осаждают на поверхность или удаляют с нее. Таким образом в 1991 году сотрудники фирмы ИБМ написали атомами ксенона на поверхности никелевой пластины название своей фирмы – IBM. Букву «I» составили всего 9 атомов, а буквы «B» и «M» – 13 атомов каждую.

Следующим шаг в развитии сканирующей зондовой микроскопии сделали в 1986 году Биннинг, Квейт и Гербер. Они создали атомно-силовой микроскоп. Если в туннельном микроскопе решающую роль играет резкая зависимость туннельного тока от расстояния между зондом и образцом, то для атомно-силового микроскопа решающее значение имеет зависимость силы взаимодействия тел от расстояния между ними.

Зондом атомно-силового микроскопа служит миниатюрная упругая пластина – кантилевер. Причем один ее конец закреплен, на другом же конце сформировано зондирующее острие из твердого материала – кремния или нитрида кремния. При перемещении зонда силы взаимодействия между его атомами и неровной поверхностью образца будут изгибать пластину. Добившись такого перемещения зонда, когда прогиб остается постоянным, можно получить изображение профиля поверхности. Такой режим работы микроскопа, называющийся контактным, позволяет измерять с разрешением в доли нанометра не только рельеф, но и силу трения, упругость и вязкость исследуемого объекта.

Сканирование в контакте с образцом довольно часто приводит к его деформации и разрушению. Воздействие зонда на поверхность может быть полезным, например, при изготовлении микросхем. Однако зонд способен легко порвать тонкую полимерную пленку или повредить бактерию, вызвав ее гибель. Чтобы избежать этого, кантилевер приводят в резонансные колебания вблизи поверхности и регистрируют изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний, вызванных взаимодействием с поверхностью. Такой метод позволяет изучать живые микробы: колеблющаяся игла действует на бактерию, как легкий массаж, не причиняя вреда и позволяя наблюдать за ее движением, ростом и делением.

В 1987 году И. Мартин и К. Викрама-сингх (США) предложили в качестве зондирующего острия использовать намагниченную микроиглу. В результате появился магнитно-силовой микроскоп.

Такой микроскоп позволяет разглядеть отдельные магнитные области в материале – домены – размером до 10 нм. Его также применяют и для сверхплотной записи информации, формируя на поверхности пленки домены с помощью полей иглы и постоянного магнита. Подобная запись в сотни раз плотнее, чем на современных магнитных и оптических дисках.

На мировом рынке микромеханики, где заправляют такие гиганты, как ИБМ, «Хитачи», «Жиллетт», «Поляроид», «Олимпус», «Джойл», «Диджитал инструментс», нашлось место и для России. Все громче слышен голос маленькой фирмы МДТ из подмосковного Зеленограда.

«Давайте скопируем на пластину, в 10 раз меньшую человеческого волоса, наскальный рисунок, выполненный нашими далекими предками, – предлагает главный технолог Денис Шабратов. – Компьютер управляет "кистью", зондом – иглой длиной 15 микрон, диаметром в сотые доли микрона. Игла движется вдоль "полотна", и там, где его касается, появляется мазок размером с атом. Постепенно на экране дисплея возникает олень, за которым гонятся всадники».

МДТ единственная в стране фирма-изготовитель зондовых микроскопов и самих зондов. Она входит в четверку мировых лидеров. Изделия фирмы покупают в США, Японии, Европе.

А все началось с того, что Денис Шабратов и Аркадий Гологанов, молодые инженеры одного из оказавшихся в кризисе институтов Зеленограда, думая, как жить дальше, выбрали микромеханику. Они не без основания посчитали ее наиболее перспективным направлением.

«Мы не комплексовали, что придется соперничать с сильными конкурентами, – вспоминает Гологанов. – Конечно, наше оборудование уступает импортному, но, с другой стороны, это заставляет исхитряться, шевелить мозгами. А уж они-то у нас точно не хуже. И готовности пахать хоть отбавляй. Работали сутками, без выходных. Самым трудным оказалось даже не изготовить суперминиатюрный зонд, а продать. Знаем, что наш лучший в мире, кричим о нем по Интернету, засыпаем клиентов факсами, словом, бьем ножками, как та лягушка, – ноль внимания».

Узнав, что один из лидеров по производству микроскопов – японская фирм «Джойл» ищет иглы очень сложной формы, они поняли, что это их шанс. Заказ стоил много сил и нервов, а получили гроши. Но деньги не были главным – теперь они могли во весь голос объявить: знаменитый «Джойл» – наш заказчик. Подобным образом почти полтора года МДТ бесплатно изготавливала специальные зонды для Национального института стандартов и технологий США. И новое громкое имя появилось в списке клиентов.

«Сейчас поток заказов таков, что мы уже не можем удовлетворить всех желающих, – говорит Шабратов. – Увы, это специфика России. Опыт показал, у нас имеет смысл выпускать столь наукоемкую продукцию малыми сериями, массовое же производство – налаживать за рубежом, где нет срывов поставок, низкого их качества, необязательности смежников».

Возникновение сканирующей зондовой микроскопии удачно совпало с началом бурного развития компьютерной техники, открывающей новые возможности использования зондовых микроскопов. В 1998 году в Центре перспективных технологий (Москва) создана модель сканирующего зондового микроскопа «ФемтоСкан-001», которым управляют также через Интернет. Теперь в любой точке земного шара исследователь сможет работать на микроскопе, а каждый желающий – «заглянуть» в микромир, не отходя от компьютера.

Сегодня подобные микроскопы используются только в научных исследованиях. С их помощью совершаются наиболее сенсационные открытия в генетике и медицине, создаются материалы с удивительными свойствами. Однако уже в ближайшее время ожидается прорыв, и прежде всего, в медицине и микроэлектронике. Появятся микророботы, доставляющие по сосудам лекарства непосредственно к больным органам, будут созданы миниатюрные суперкомпьютеры.

Микроскопы на поверхностных плазмонах

Обычно с помощью видимого света наблюдать объекты ангстремной толщины нельзя. Однако существует микроскоп, позволяющий сделать это. Предел разрешающей силе микроскопа устанавливает явление дифракции света. Дифракция – огибание волнами препятствий. В более широком смысле – любое отклонение при распространении волн от законов геометрической оптики. В случае с микроскопом дифракция определяет то минимальное расстояние между двумя светящимися точками, при котором мы их увидели бы в микроскоп как две, а не одну.

После небольших вычислений оказывается, что минимальное расстояние, на котором могут находиться две светящиеся точки, будет порядка половины длины волны света, на которой они излучают. Так, для излучения на длине волны 630 нм можно рассчитывать на разрешение объектов размером не более 315 нм.