Из электронной пушки на Луну «Исследовать микромир так же увлекательно, как летать в космос»

Этот текст написал Евгений Пенцак — аспирант Института органической химии РАН. Он рассказал, почему ему, химику, каждый день приходится выходить в открытый космос, хотя он и не космонавт.

В детстве, как и многие мои сверстники, я мечтал стать космонавтом. Представлял, что буду сидеть в большом кресле, передо мной будет широкая панель со светящимися кнопками и мигающими лампочками. С помощью джойстика я буду направлять корабль к цели, высаживаться на планеты и исследовать их ландшафты, собирать образцы грунта. В блестящем неуклюжем скафандре буду выходить в открытый космос. Я воображал, как передо мной открывается шлюз и я оказываюсь в абсолютном вакууме. Абсолютная тишина, темнота, и впереди бесконечный неизведанный мир, в котором мне предстоит сделать важное открытие.

К сожалению, космонавтов всего один отряд на всю страну. Тем не менее я считаю, мне крупно повезло. Прошло много времени, я вырос из детских иллюзий, выбрал более земную профессию химика и уже позабыл о своих детских фантазиях. Мне представилась возможность учиться в аспирантуре, и через какое-то время я стал работать на очень интересном приборе — сканирующем электронном микроскопе.

Я работаю в одиночестве. Мой рабочий процесс протекает в небольшой комнате, обитой листами железа, чтобы исключить внешние электромагнитные помехи. Волшебство начинается с того момента, как я беру образец, приклеенный к гладкой поверхности специального алюминиевого диска, и устанавливаю его на столик-держатель. Я сажусь в большое кресло за стол, над которым возвышается электронная пушка микроскопа. Передо мной два монитора, манипулятор, панель с ручками и лампочками. Проверяю работу ионных насосов. Первый в норме, второй в норме, третий в норме. Записываю параметры в журнал. Включаю систему охлаждения, переключаю три тумблера внизу. Полетели!

Я нажимаю на одну из кнопок на панели микроскопа, она начинает мигать, раздается звуковой сигнал, и… открывается шлюз, а за ним давление в 0,0000000001 атмосферы, что в миллиард раз меньше, чем наше с вами привычное давление, равное одной атмосфере. Туда и отправляется образец.

Мне начинает казаться, что я сам в космическом корабле и исследую иные миры. Задание на сегодня — исследовать поверхность «планеты» MoS₂. Это дисульфид молибдена, который, по мнению многих ученых, может использоваться в качестве полупроводника.

С помощью джойстика я управляю пучком электронов, который сканирует поверхность образца. Благодаря этому формируется изображение на экране монитора. Вначале я вижу только черный экран, настраиваю несколько параметров, кручу ручки, но вскоре появляется белый шум, потом размытые черно-белые пятна, четче, еще четче, и уже через несколько секунд во всей красе появляется она, поверхность исследуемой «планеты».

Я смотрю на нее с большой высоты. Вижу холмы, горы, ущелья, долины. Теперь мне нужно выбрать место для «посадки».

С помощью манипулятора я пролетаю на своем корабле — электронном луче над сложным и таинственным рельефом. До меня здесь еще никто не бывал. Здесь я совершенно один в тишине и таинственном полумраке черно-белого изображения.

Вот долина, испещренная кратерами, вот склон горы, обрыв, большой каньон, а чуть левее то ли ступеньки пирамиды, то ли гигантская книга, покрытая вековой пылью. Ее листочки слегка колышутся, как будто дует ветер. Хотя я понимаю, что ветра там нет, потому что вакуум. Скорее они деформируются от нагрева электронного пучка.

Вот я вижу нечто похожее на гигантского жука, тянущего свои лапищи к вкусному ореху. А вон там, выше, кажется, обломки древнего корабля, выброшенного на берег, — чешуйчатый корпус на ровной гладкой поверхности.

Я нахожу интересное место, похожее на гигантскую воронку, и начинаю плавно поворачивать ручку увеличения. Поверхность медленно приближается. Мы словно идем на посадку. Чем ближе, тем сильнее расплывается изображение, теряется фокус. Я аккуратно подстраиваю его другой ручкой, чтобы изображение оставалось четким.

Отдельные части объекта становятся крупнее и на них уже можно разглядеть совсем мелкие детали: листочки, полоски, ямки. Увеличение в 200 тысяч раз! Примерно во столько раз наша лаборатория меньше Луны! На шкале монитора указывается масштаб наблюдаемого объекта — 200 нанометров. Это в тысячу раз меньше инфузории или амебы и гораздо меньше бактерий.

Зачастую бывает сложно добиться такого увеличения. При приближении к исследуемому объекту изображение расплывается, появляются шум, искажения. Тогда мне приходится переключать режимы, менять ускоряющее напряжение, убирать астигматизм, настраивать резкость, яркость, контрастность, пытаться настроить фокус.

Картинка долго не слушается, то становясь четче, то вновь расплываясь, убегая то в одну сторону, то в другую. Ощущение такое, будто смотришь на нее через чужие очки. Собственные глаза уже начинают разъезжаться в стороны и болеть. Но ты чувствуешь, что изображение может быть отчетливее, поворачиваешь ручку фокуса, еще чуть-чуть и вдруг неожиданно проявляются все детали! В этот момент я испытываю настоящий восторг, как будто моя любимая футбольная команда забила гол.

На моем «планетоходе» много разных инструментов. Я могу узнать элементный состав «планеты» и даже построить цветную карту распределения элементов на ее поверхности. Могу исследовать недра, просветив их насквозь электронным пучком. Я могу «подлетать» к различным структурам с разных сторон и под разными углами.

Главное — не увлечься и не задеть случайно локтем столик с образцом, полюсный наконечник или один из детекторов. Тогда случится настоящая межпланетная катастрофа, ведь наш микроскоп стоит не намного дешевле настоящего космического корабля. Так что с уверенностью можно сказать, что работа у меня не менее ответственная, чем у реального пилота. Именно поэтому приближение к поверхности образца я наблюдаю с замиранием сердца.

Я делаю снимки, чтобы потом изучить их подробнее, и понимаю, что на сегодня достаточно, — пора домой. Нажимаю кнопку HOME. Она возвращает столик с образцом в исходное положение, чтобы его можно было извлечь через шлюз обратно. Изображение на экране стремительно удаляется. Открывается внутренняя шторка, я выдвигаю образец в шлюз, шторка закрывается. Шлюз с шипением заглатывает воздух, после чего я отодвигаю его и забираю образец.

Как и на борту Международной космической станции, все данные записываются в бортовой журнал. Поздравляю, коллеги, полет прошел успешно, путешествие закончено! Сегодня я получил море впечатлений и узнал много интересного о ранее незнакомом мне веществе.

Как и все опытные космонавты, я помню свой первый полет… Первым снимком, который я сделал на микроскопе, были наночастицы на поверхности графита. Миллионы ярких маленьких наночастичек на черной углеродной подложке. Когда я показал этот снимок друзьям, они спросили: «Ты сфотографировал звездное небо? Ты изучаешь космос?»

Я верю, что всё вокруг нас, — это космос. Просто бывает еще микрокосмос, который ничуть не менее удивителен и загадочен, чем небесный. А исследовать микромир так же увлекательно, как летать к звездам.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №5 (07) за май 2015 г.