Конечно, творческие люди творят потому, что без этого они не могут, но предмет их творчества сильно зависит от того, какие идеи витают в воздухе, и от того, какие задачи стоят перед обществом. Появившийся в конце прошлого столетия лозунг: "Вперед в наномир!", несколько преждевременный, особенно для России, где первоочередными были задачи метрового и километрового масштаба, привел к удивительно быстрому продвижению как в области фундаментальной науки, так и в нанотехнологиях. Впечатляющим примером является открытие и исследование двумерной, толщиной в один слой атомов, структуры из углерода - графена, которое было задумано и получило начальное развитие в России, в Черноголовке, где оба Нобелевских лауреата 2010 года - Андрей Гейм и Константин Новоселов - в то время работали.
Еще больше внимания было уделено квазиодномерным структурам - нанопроволокам - длинным образованиям, состоящим в поперечнике из 10-100 атомных слоев. Помимо фундаментального здесь четко просматривался и практический интерес, в частности использование их в качестве металлических проводов в миниатюрных компьютерах будущего. Фантазия и умение экспериментаторов оказались на высоте, и было предложено множество различных и, на первый взгляд, фантастических методов выращивания нанопроволок. Конечно, почти все они были достаточно дороги, но это не так уж важно в нанотехнологиях: из 1 см3 металла можно изготовить нанопроволоку, которой можно десятки раз обернуть Землю вокруг экватора; в любом случае, манипуляции с готовой проволокой стоят существенно дороже. Общим в методах было наличие того или другого типа препятствий на пути роста объекта в поперечном направлении, возникающих начиная с нескольких нано(10-9)метров.
В методике, развитой в нашем Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке, средой для выращивания нанопроволок является жидкий гелий, который, казалось бы, совсем не подходит для таких целей. Действительно, он является квантовой жидкостью, а это значит, что составляющие его атомы ведут себя не как частицы, а как волны, длина которых намного превышает размеры атома; соответственно, размыты и сглажены все его характеристики. Имеется, однако, одно важное исключение: при охлаждении до 2,2 градусов Кельвина жидкий гелий переходит в сверхтекучее состояние (Петр Капица, Нобелевская премия 1978 года) и в нем возникают так называемые квантованные вихри. Подобные же вихри образуются и при переходе электрического проводника в сверхпроводящее состояние, и именно за исследование свойств квантованных вихрей в жидкости и проводниках была присуждена в 2003 году Нобелевская премия советским физикам Алексею Абрикосову и Виталию Гинзбургу (совместно с американцем Энтони Легеттом).
Квантованные вихри в жидком гелии ведут себя подобно водоворотам в обычной жидкости, образуя замкнутые петли сантиметровой длины или соединяя выступающие места на стенках и дне сосуда. Важным отличием от обычных вихрей является их практическая одномерность: в поперечнике квантованный вихрь имеет размеры, меньшие размера атома. Как впервые предсказали в 1969 году советские физики Лина Реут и Иосиф Фишер, любая примесь в жидком гелии стремится оказаться внутри вихря. Правда, энергия сродства атома примеси к вихрю, как и любые энергии внутри гелия, весьма мала - всего 3-10 градусов Кельвина, так что при типичной температуре эксперимента Т=1,5 К вероятность нахождения атома примеси внутри вихря лишь ненамного выше, чем в остальной жидкости.
По ходу изложения мне приходится ссылаться в основном на труды советских физиков, и это неудивительно: наши соотечественники были лидерами в физике низких температур. Я часто работал в зарубежных группах и мог воочию убедиться в том уважении, с которым они априорно относились к представителям наших научных школ.
Отправной точкой нашего подхода было соображение о том, что энергия связи длинной примесной частицы с квантованным вихрем должна быть приблизительно пропорциональна ее длине. А поскольку вероятность экспоненциально зависит от энергии, то уже для цепочки длиной в 5 атомов вероятность нахождения внутри вихря на несколько порядков выше, чем в объеме жидкости. Захваченные в вихрь частицы могут свободно двигаться вдоль оси вихря и при этом, в отличие от остального объема жидкости, где направления их движений случайны, исключительно навстречу друг другу. Разминуться они не могут и, слипаясь, образуют цепочки. С увеличением длины цепочек скорость их роста возрастает, такой самоускоряющийся процесс называют каталитическим, и катализатором здесь служат квантованные вихри. Очевидно, что при достаточной плотности вихрей весь процесс конденсации примесей, в конце концов, будет происходить внутри вихрей, давая в качестве первичного продукта длинные тонкие нити.
Нить из водорода, выращенная в сверхтекучем гелии, Расстояние между точками подвеса нити равно 12 мм.
Экспериментально эту идею мы проверили на самом простом случае конденсации молекулярного водорода внутри сверхтекучего гелия. Технически это непросто, но вполне осуществимо, и главным вопросом было, как наблюдать растущие внутри криостата совершенно прозрачные водородные нити в абсолютно прозрачном жидком гелии. Фотография здесь бессильна, но, к счастью, имеется такой изящный и надежный метод, как шлирен-фотография. Принципиально это не достижение современной науки, впервые его реализовал в конце XVIII века великий французский революционер Жан-Поль Марат. Он, оказывается, всю жизнь занимался естествознанием и только потом попробовал силы в фатальной для себя политике. В физике шлирен-метод сыграл решающую роль в исследовании звуковых и ударных волн, и он настолько прост, что может быть сейчас реализован в домашних условиях.
Принцип его состоит в следующем. Параллельный пучок света может быть сведен в точку с помощью положительной линзы, затем он расходится под тем же углом, под каким сходился. Будем двигать в фокальной плоскости перпендикулярно оси пучка лезвие острого ножа. Пока лезвие не пересекло точку фокуса, то, наблюдая расходящийся пучок в видеокамеру, мы будем видеть равномерно освещенный экран, а после пересечения лезвием фокуса экран станет черным. Пусть теперь параллельный пучок света - монохроматический или белый - проходит через среду, в которой есть области с другим показателем преломления (другое вещество или просто изменение плотности основного вещества). Лучи света будут преломляться в этих местах, слегка изменяя свое направление. При фокусировке линзой часть таких лучей сфокусируется ниже основного фокуса, а часть - выше него. Лезвие ножа, находясь сразу под основным фокусом, отсечет лучи, отклоняющиеся вниз, и на видеокамере наблюдатель увидит темные места в местах неоднородностей; при положении лезвия немного выше фокуса видеокамера, наоборот, выявит на темном фоне светлые места, откуда лучи отклонились вверх.
На рис.1 представлена одна проволочка из водорода, висящая в сверхтекучем гелии. Квантованный вихрь, в котором она выросла, прикрепился к выступам на тубусе оптического окна криостата. Водородная нить извивается в потоках жидкого гелия, но не рвется. Конечно, мы видим не нанонить (она слишком тонка для оптических наблюдений), а "толстую" косу, сплетающуюся впоследствии из нанонитей.
Чтобы рассмотреть наноразмерные образования, нужно поместить их, например, в электронный микроскоп. Наиболее удобно сделать это с проволоками из металла, которые можно отогреть до комнатной температуры и вынуть из криостата, да и практический интерес к ним выше. Для нашего метода не имеет значения, из чего растить нанопроволоки, лишь бы обеспечить введение строительного материала внутрь гелия. В наших экспериментах мы использовали для этого абляцию (то есть выбивание) с поверхности погруженной в сверхтекучий гелий металлической мишени под действием импульсного лазера. Мы использовали наименее мощный лазер из имеющихся в наличии, и то он оказался слишком мощным и забрасывал кювету тысячами нанопроволок. Мы использовали медь, золото, никель, пермаллой, индий, олово и свинец, и во всех случаях основным продуктом являлись длинные нанопроволоки, имеющие правильную цилиндрическую форму и регулярное кристаллическое строение.
На рис.2 для случая индия представлены как структура всего образца, так и кристаллическая структура индивидуальных проволок. Часть нанопроволок садилась на размещенные вблизи мишеней электроды, замыкая электрическую цепь. Благодаря этому удалось наблюдать многие размерные эффекты, характерные для нанопроволок: сильное падение удельной проводимости, высокую вероятность полевой эмиссии электронов, а для сверхпроводников - сильный сдвиг температуры сверхпроводящего перехода.
Фотографии нанопроволок из индия, сделанные на просвечивающем электронном микроскопе при различных увеличениях. При наивысшем увеличении видны полосы интерференции на кристаллическуой решетке
Кратко суммируем основные преимущества метода.
Универсальность - можно выращивать практически из любого материала, из сплавов и смесей веществ; по-видимому, можно вырастить нанопроволоку и из выскотемпературно-сверхпроводящей керамики.
Малые диаметры (для различных металлов от 2 до 7 нм), хорошее постоянство формы по длине и уникально большая длина (уже выращены индивидуальные металлические нанопроволоки длиной более 1 мм - абсолютный рекорд).
Удобство манипуляции: нанопроволоки вместе с порождающими их квантованными вихрями металлическим образом присоединяются к намеренно введенным в зону роста игольчатым электродам, позволяя тем самым проводить электрические измерения непосредственно в криостате.
Е.Б.Гордон, Р.Нишида, К.Номура, Ю.Окуда, Письма в ЖЭТФ 85, 710 (2007)
Е.Б.Гордон, А.В.Карабулин, В.И.Матюшенко, В.Д. Сизов, И.И.Ходос, Физика низких температур, 36, 740 (2010)