V období asi pred dvadsiatimi rokmi vo výskumnom centre IBM v Almadene v San Jose, v malom laboratóriu vybavenom najmodernejšou technikou, na kopcoch Sillicon Valley, dosiahol pracovník IBM Don Eigler, medzník v schopnosti ľudí budovať malé štruktúry. Dňa 29. septembra 1989 prezentoval možnosť manipulovať s jednotlivými atómami s presnosťou na úrovni rozmerov atómu a pokúsil sa napísať slovo „IBM“ prostredníctvom samostatných Xenónových atómov, čo bola udalosť významovo porovnateľná s prvým letom bratov Wright-ovcov pri Kitty Hawk.
A v súčasnosti ďalšia skupina výskumníkov v rovnakom laboratóriu – za pomoci University Regensburg – urobila výnimočný krok v meraní jemných síl potrebných na manipuláciu s atómami. Svoje výsledky zverejnili v časopise Science minulý týždeň.
Porozumieť silám, ktoré sú nevyhnutné na pohyb špecifických atómov na špecifických povrchoch, je jedným z kľúčov k návrhu a konštrukcii malých štruktúr, ktoré umožnia použitie nanotechnológií v budúcnosti. Tento problém je veľmi podobný tomu, pred ktorým pred mnohými desaťročiami stáli vedci a inžinieri, ktorí sa usilovali získať poznatky o konštrukciách v makroskopických veľkostiach. Napríklad stavba moderného mostu by nebola možná bez toho, aby sme zmerali pevnosť rozličných materiálov, porozumeli relevantným silám alebo aby sme pochopili ako tieto všetky faktory na seba pôsobia. Vo svete nanotechnológií na to, aby ste vytvorili štruktúry, ktoré majú striktne zostať na mieste bez pohybu, potrebujete použiť silne zviazané („zlepené“) atómy, no naproti tomu pre skupiny atómov, ktoré sa majú pohybovať, potrebujete používať atómy udržiavané na svojich miestach len slabučkými chemickými väzbami.
„Tento výsledok poskytuje dôležité východiskové informácie o výrobe v atómových rozmeroch a umožní vydláždiť cestu pre nové storage a pamäťové zariadenia,” povedal Andreas Heinrich, vedúci výskumník v laboratóriu na skenovaciu tunelovú mikroskopiu vo výskumnom centre IBM v Almadene. „Našou misiou je vytvorenie základov k tomu, aby mohla byť spoločnosť IBM v budúcnosti nazývaná nano-konštrukčnou spoločnosťou.”
V článku „Sila potrebná na pohyb atómov po povrchu“ vedci prezentujú, že sila, ktorá je potrebná na pohnutie atómom kobaltu na hladkom povrchu z platiny je 210 pico-newtonov. Oproti tomu na pohyb atómu kobaltu na medenom povrchu je potrebných len 17 pico-newtonov. Z tejto perspektívy by sme mohli povedať, že na zodvihnutie medenej pencovej mince vážiacej 3 gramy je potrebných okolo 30 milárd pico-newtonov, čo je 2 miliardy krát viac, ako sila potrebná na pohyb jedného atómu kobaltu na medenom povrchu.
Takéto poznatky nám umožnia hlbšie porozumieť procesom, ktoré sa odohrávajú na úrovni atómov – v centre úsilia budúcich nanotechnológií, umožnia tiež podporiť vývoj smerom k využívaniu počítačových a zdravotníckych zariadení, ktoré budú vytvorené na nano úrovni. V oblasti počítačového hardvéru je všeobecne známy trend, ktorý definuje exponenciálny nárast množstva nahustených tranzistorov, ktoré sa dajú umiestniť na jeden integrovaný obvod – tomuto poznatku sa hovorí tzv. Moorov zákon. Zhustené osadenie tranzistorov im umožní využívať menej energie a pritom dosiahnuť vyššiu rýchlosť a nižšie náklady. Jedna z najaktuálnejších výziev IT priemyslu je snaha nájsť návrhárske a výrobné metódy umožňujúce priemyslu neustále zmenšovať tieto zariadenia.
Miniaturizácia týchto zariadení do hraničných rozmerov – na úrovni niekoľkých atómov – vyžaduje radikálne nové návrhárske a výrobné metódy. Schopnosť merania sily potrebnej na pohyb atómov nám poskytuje nový pohľad na to, ako treba pracovať pri stavbe jedného atómu na druhý a ako prevádzkovať budúce nano zariadenia.
OBJASNENIE SÍL, KTORÉ HÝBU ATÓMAMI
Pred päťdesiatimi rokmi sa laureát Nobelovej ceny Richard Feynman pýtal, čo sa bude diať, keď dokážeme presne podľa svojho želania umiestniť jednotlivé atómy. Tento sen sa stal skutočnosťou a v súčasnosti sa „manipulácia s atómami“ široko využíva pri výskume, ktorého cieľom je získať poznatky o stavbe, testovaní a manipulácii s objektami v rozmeroch individuálnych atómov. Ale odpoveď na základnú otázku: „Akú silu potrebujeme na pohnutie atómom na nejakom povrchu?“, sa až doteraz nepodarilo nájsť.
V uverejnenom článku popisujú výskumníci použitie svojho citlivého silového atómového mikroskopu (AFM) na meranie hodnoty a smeru sily vyvinutej na atóm alebo molekulu za použitia ostrého kovového hrotu, ktorý atóm pohybuje. Tím objavil, že sila je výrazne rozdielna v prípade rôznych typov materiálov použitých na povrchu. Veľkosť sily sa tiež mení v prípade, že namiesto jedného atómu je použitá malá molekula.
Dnešný významný objav kombinuje neuveriteľne citlivé meranie síl s extrémnou presnosťou a stabilitou potrebnou pre pohyb atómov. Tento projekt stavia na dlhodobej histórii IBM pri používaní silového atómového mikroskopu – AFM bol uvedený po prvý raz pred dvadsiatimi rokmi nositeľom Nobelovej ceny a pracovníkom IBM Gerdom Binningom, vedeckým pracovníkom IBM Christophom Gerberom a profesorom Standfordskej university Calvinom Quateom.
AFM používa ostrý hrot upevnený na pružnom ramene na meranie interakcie medzi hrotom a atómom na nejakom povrchu. Pri súčasnej práci je ramenom miniatúrna kryštálová ladiaca vidlica podobného typu, aký sa dá nájsť v nástenných a náramkových hodinách. Keď sa hrot umiestni bližšie k atómu na povrchu, nepatrne sa zmení frekvencia ladiacej vidlice. Zmena frekvencie sa dá analyzovať, aby sa určila sila, ktorá bola aplikovaná na atóm. „Je ohromujúce vidieť, ako tento nástroj, ktorý je základom k ladiacej vidlici používanej v každodenných náramkových hodinkách, možno využiť na meranie síl medzi jednotlivými atómami,“ hovorí profesor Franz Giessibl z Univerzity Rgensburg.
