|
Нановулканы, образующиеся вблизи отверстий при напылении ионов на поверхность, оказались ключевым промежуточным этапом в процессе образования микроскопических пор молекулярного размера.
Желание скрестить два современных направления нанотехнологии — микроэлектронику и физику биологических молекул — вполне естественно. Реализации этого желания, однако, мешает пока сильная разница характерных размеров. Так, современная электроника работает со структурами размера немногим менее 50-100 нанометров (нм), в то время как типичный размер белковых молекул не превышает одного-двух нанометров. Например, если мы хотим получить детектор, который бы избирательно пропускал биологические молекулы только с определенной пространственной структурой (то есть сымитировать работу клеточной мембраны), нам необходимо уметь создавать подходящие отверстия нанометрового размера.
Несколько лет назад была разработана техника получения нанопор диаметром вплоть до 2 нм, что как раз подходит для биодетекторов. Методика, описанная физиками из Гарвардского университета в статье J. Li et al., Nature (London) 412, 166 (2001), проста: вначале высверливается «большое» отверстие размером в сотни нанометров, а затем на него осаждается поток ионов аргона. Ионы постепенно «забивают» пору, ее диаметр плавно уменьшается от начального размера до нуля, и если за мгновение до «закрытия» выключить ионный пучок, то удается получить очень узкие нанопоры.И всё бы хорошо, но только долгое время детальный механизм этого процесса оставался неясным. Для того чтобы понять его, группе из Гарварда потребовалось 4 года; результат этого исследования (T. Mitsui et al., Physical Review Letters, 96, 036102, 23 January 2006) был на днях опубликован в журнале Physical Review Letters. (Статья также доступна на сайте одного из авторов, PDF, 3,7 Мб.)
Авторы выяснили, что в процессе напылении вещества вокруг пор образуются миниатюрные «вулканы» нанометровых размеров. Только в отличие от своих настоящих геологических собратьев эти нановулканчики не выбрасывали вещество, а наоборот — всасывали его, как бы росли изнутри.
Теоретическое изучение этого процесса выявило два ключевых фактора, приводящих к образованию вулканчиков: электрическое поле, которое порождается на непроводящей поверхности потоком падающих ионов, и нецилиндрическая, расширяющаяся книзу форма поры.
Электрическое поле, действующее в плоскости, приводит к большой мобильности не только ионов, но и всех нейтральных атомов на поверхности. (Об особенностях диффузии атомов на поверхности см. в заметке Диффузия примесных атомов на поверхности монокристалла.) Под действием электрических сил вещество устремляется к нанопорам, однако вблизи кромки сила притяжения сменяется на силу отталкивания, и в результате вещество накапливается вблизи поры: вулкан растет. Рано или поздно некоторые атомы проникают внутрь, пора постепенно зарастает, и в конце концов «жерло» вулкана полностью перекрывается. В этот момент распределение поля меняется, уже ничто не удерживает вещество вблизи закрывшегося отверстия и вулкан быстро «смывается» электрическими силами к соседнему открытому отверстию.
Нет необходимости напоминать, что практически любое исследование в этой области — очередной конкретный шаг на пути к светлому нанотехнологическому будущему. Стоит, однако, отметить особо, что эта работа является прекрасной иллюстрацией типичного подхода в нанотехнологии: не обязательно изготавливать нанопредмет вручную. Иногда достаточно «состряпать» заготовку и затем запустить такой физический процесс, который самостоятельно «выточит» из нее то, что требуется.
