Наноискусство: как делают самые маленькие картины и фильмы

Если на полу лаборатории оставить наноочки, вскоре вокруг них соберутся ученые с зондовыми микроскопами, приняв за объект современного искусства

Когда-то давно шла длительная общественная дискуссия о физиках и лириках. Нужна ли «лирика» – проза, поэзия, изобразительное искусство, – в суровом рациональном новом мире? А ведь действительно, давайте уберём «лирику», оставим только полезное, прикладное, рациональное, и «бровей твоих иксы, парабола лба» станет самым изысканным комплиментом девушке на свидании. Извините, я пас так жить. А, кроме того, не вижу проблемы объединить физику и лирику. Сотрудники компании IBM (пост, увы, не проплачен – прим.автора) тоже не видят в этом проблемы. Казалось бы, причем здесь сканирующий туннельный микроскоп?

Зимой 1989 года физик из лаборатории IBM в Калифорнии Дональд Эйглер продемонстрировал усовершенствованный СТМ для работы в сверхнизких температурах. Для своей диссертации Эйглер облучал поверхности металлов газами, что подсказало идею – почему бы не посмотреть как ведут себя отдельные молекулы газов на поверхностях? Ученый охладил металлическую подложку и поместил на неё атомы ксенона. Ксенон – благородный газ, он брезгует вступать во взаимодействие с чернью вроде железа, и изучать его удобно.

Многие экспериментаторы работают с СТМ ночью. Я проходил стажировку в Техническом университете Вены, в экспериментальной лаборатории, и там были люди, которых редко когда видели в лаборатории, но они вкалывали – приходили поздно вечером, а уходили рано утром. На крыльях ночи любые вибрации, от которых не уберечься днем (от движения метро, проезжающих автомобилей, снующих надокучливых теоретиков вроде меня), затухали, и ничто кроме иглы микроскопа под чутким надзором ученых не нарушало спокойствия исследуемых атомов. Так вот, ночами Эйглер снимал изображения, а потом пролистал получившиеся картинки словно кадры кинофильма. Атомы двигались! Они отчетливо перемещались за иглой микроскопа. Эйглер стал воплощением демона Максвелла, умозрительного существа, отлавливающего и перемещающего отдельные молекулы.

В книге «Нанонауки. Невидимая революция» Кристиан Жоаким сравнивает перемещение атомов с футболом. Если футболист наступит на мяч и надавит, тот выскользнет из-под ноги и покатится по траве. Если игла приблизится ближе 0.2нм к атому, тот «выскользнет» из-под неё, оказавшись зажатым между полем иглы и подложки, и сдвинется.

Чтобы доказать, что движение атомов не привиделось ему от недосыпа, Эйглер выложил логотип компании атомами ксенона. Первая картина наноарта хоть и уступала художественной выразительностью шедеврам импрессионизма и сентиментализма, но уж точно вышла не хуже некоторых «творений» современного искусства, и стала хитом.

Человек-молекула. Герой супергеройского кино «Человек-муравей», уменьшившись до «субатомных размеров», выглядел бы именно так (если наглое попрание законов физики вызывает у вас головную боль, не смотрите этот фильм). Такой себе nanoant-man.

Слава о мастере, способном не то что подковать блоху, но и выложить изображение этой самой блохи из отдельных атомов, дошла до Японии, где сотрудники Hitachi основали своё течение наноискусства. Они не добавляли атомы на подложку, а выскабливали их оттуда. Почему-то первой картиной стала надпись «PEACE’91 HCRL», а не очередной вид Фудзи. Получилось неплохо на мой вкус.

А потом, как бывает с любой прорывной новинкой, из области некогда научной фантастики она превратилась в обыденность.

Рассказывая как ему удается творить шедевры из камня, Микеланджело говорил «Я просто отсекаю все лишнее». Студент Корнелльского университета взял кристалл кремния и просто отсек все лишнее электронным пучком, получив наногитару. Впоследствии его коллеги пошли дальше – сделав гитару побольше, зато издающую вибрации

Настолько обыденность, что те же сотрудники IBM даже кино начали снимать. Самый маленький в мире фильм, каждый кадр увеличен в 100 миллионов раз

Мультик набрал в первые же дни больше миллиона просмотров на ютубе, есть в базах IMDb и «Кинопоиска», причем даже неплохой рейтинг имеет. 6 баллов – это побольше чем у хитов вроде всех «Самых лучших фильмов» (3.1, 2.9 и 3.0), «50 оттенков серого» (4.4) и даже лучше чем «Джастин Бибер: никогда не говори никогда» (1.6), который «захватывает и трогает до глубины души» как обещают его создатели

Если бы ди Каприо сыграл роль Мальчика, вожделенный Оскар он получил бы и без ночевки в лошади и поедания сырого бизона. Правда, это мог быть самый маленький в мире Оскар за самую маленькую в мире роль. Хотя померзнуть пришлось бы – температура подложки 5К (-268.15С), похолоднее Монтаны

Если вы присмотритесь к мультику, то увидите волны, расходящиеся от поверхностных атомов. Это возмущения электронной плотности медной подложки. По ней инженеры перемещали молекулы угарного газа (СО). Если вы очень хорошо присмотритесь к любому кадру, сможете заметить что молекулы «изображения» состоят из двух кусочков, большого кислорода и маленького углерода. На мультик пошло 65 молекул СО, из которых сделали 242 кадра размером 25 на 45 нанометров. Ни один атом при съемках не пострадал.

Поймать электронную плотность в ловушку ученым удалось с помощью «квантового загона». Атом железа окружили его собратьями, словно быка в деревянном загоне. Электронные волны, расходящиеся от атома, наталкиваются на атомы «заборчика», отражаются от него. Загончики делали не только круглыми, но и треугольными. шестиугольными. Сколько возможностей для самовыражения открывает квантовое искусство!

Кроме того, удалось даже сделать атомный мираж. Атом поместили в фокусе эллипсоидного «загончика», волны, отражаясь от стенок, сфокусировались в другом фокусе (о, простите за тавтологию!), Получилось, будто там находится второй атом, и если измерить электронную плотность у «миража», не удастся сказать – там реальный атом или виртуальный. Заблудившись в квантовой пустыне не спешите радоваться оазису из молекулы воды. Быть может, это обман зрения.

На этом закончу небольшой экскурс в современное наноискусство. В следующий раз поговорим о более сложных вещах – как же теоретики описывают полученные экспериментаторами данные.

Если хотите узнать больше о передвижениях атомов, вот хорошая статья из журнала Physics Today