Наука и техника: прошлое и настоящее

Уничтожить, чтобы увидеть

Маленький по размеру объект рассматривать трудно. Чтобы «увидеть» его детали, нужно использовать излучение малой длины волны – меньше, чем размеры самого объекта. В ином случае изображение получится размытым. Вспомним при этом, что энергия излучения поглощается квантами и что энергия одного кванта тем выше, чем меньше длина волны излучения. Отсюда вытекает, что, пытаясь «увидеть» детали маленького объекта, мы рискуем его просто «сжечь».

С указанной проблемой рентгеновская кристаллография столкнулась достаточно давно… Для её решения требовались специальные источники электромагнитного излучения. Безусловно, идеальным вариантом был бы лазер, работающий в рентгеновском диапазоне, и в 1980-е гг. такие лазеры активно пытались создать в разных странах. Эти усилия, однако, были связаны совсем не с рентгеновской кристаллографией, но с небезызвестной программой звёздных войн.

Рентгеновский лазер помог бы получить дифракционную картинку высокого разрешения при исследовании объектов размером в нано- и микрометры, причём объектов, не обладающих периодичностью кристаллической решётки. Детальная дифракционная картинка позволит нам восстановить информацию о строении таких объектов, располагать же такой информацией крайне необходимо врачам, биологам и материаловедам.

Дифракция как явление в отличие от известных со времен античности отражения и преломления света впервые была описана в XVII в. Франческо Марией Гримальди (1613–1663). Мы наблюдаем дифракцию, когда покачиваем в руках DVD- или CD-диск. Записывавший на них информацию лазерный луч вырезал на поверхности диска микроскопические бороздки, система которых действует как своеобразная отражательная дифракционная решётка (размер бороздок сопоставим с длиной волны видимого света).

Если же луч лазера падает на дифракционную решётку, то на экране позади решётки возникает ди­фракционная картина, состоящая из светлых и тёмных полос. Зная параметры решётки и расположение полос, можно по известным формулам определить длину волны лазерного излучения. Эти же формулы позволяют решить и обратную задачу: найти параметры решётки при известной длине волны. Последняя задача как раз и иллюстрирует те методы, с помощью которых физики изучают структуру вещества. Разработаны эти методы были в первые десятилетия прошлого столетия. В апреле 1912 г. в стенах Мюнхенского университета физик Макс фон Лауэ (1879–1960), используя кристаллы медного купороса, наблюдал дифракцию рентгеновских лучей (открытых, напомним, в самом конце XIX в.). В своих опытах Лауэ хотел доказать собственную же гипотезу, согласно которой рентгеновские лучи представляют собой вид электромагнитных волн. Дифракция рентгеновских лучей была воспринята как убедительное свидетельство их волновой природы. В 1914 г. за эту работу Лауэ был удостоен Нобелевской премии по физике. Именно в опытах Лауэ родился новый раздел физики – рентгеновская кристаллография.

Это направление успешно развивалось, и уже в следующем, 1915 г. работы по рентгеновской кристаллографии вновь были удостоены Нобелевской премии по физике. Лауреатами стали отец и сын Брэгги – сэр Вильям Генри Брэгг (1862–1942) и Вильям Лоуренс Брэгг (1890–1971) – «за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей». Они исследовали дифракцию рентгеновских лучей на кристалле поваренной соли и с помощью дифракционной картинки смогли доказать, что эта соль состоит не из молекул NaCl, но из атомов Na и атомов Cl.

Именно методы рентгеновской кристаллографии использовали Джон Кендрю (1917–1997) и Макс Перуц (1914–2002) для определения молекулярной структуры аминокислот (Нобелевская премия по химии 1962 г.). Той же методикой воспользовалась Дороти Ходжкин (1910–1994), удостоенная Нобелевской премии по химии 1964 г. за определение молекулярной структуры пенициллина.

Особое место в истории науки XX в. занимает сюжет с рентгеновскими снимками Розалин Франклин (1920–1958). В начале 1950-х гг. Франклин работала в лаборатории Мориса Уилкинса (1916–2004). среди прочего ей удалось получить высококачественные изображения молекулы ДНК в рентгеновских лучах. Без ведома Франклин Уилкинс открыл лабораторный сейф и показал её снимки Фрэнсису Крику (1916–2004) и Джеймсу Уотсону (р. 1928). Как известно, именно эти снимки стимулировали Уотсона и Крика на построение трёхмерной модели молекулы ДНК – знаменитой двойной спирали. В 1962 г. Уилкинс, Крик и Уотсон были удостоены звания лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине. Розалин Франклин не могла претендовать на лауреатство, поскольку к тому времени уже ушла из жизни…

Но вернёмся к рентгеновскому лазеру. Десять лет назад в интернете появились сообщения о его разработке, причём яркость проектируемого лазера должна была в 10 млрд раз превзойти яркость известных на тот момент времени источников рентгеновского излучения.

Центром соответствующих работ стала Стэнфордская лаборатория линейных ускорителей в США. По сообщениям печати, в разработке лазера принимали участие и российские физики из РНЦ «Курчатовский институт». А осенью 2006 г. в журнале Nature Physics появилась статья о первых экспериментальных результатах, полученных при помощи нового лазера. Тридцать четыре соавтора статьи представляли три страны (США, Германия и Швеция) и семь исследовательских организаций, среди которых Ливерморская национальная лаборатория (именно в Ливерморе разрабатывались рентгеновские лазеры для программы звёздных войн) и Лаборатория молекулярной биофизики из университета Упсала в Швеции. 

В экспериментах использовались короткие лазерные импульсы, излучаемые в диапазоне частот, известном как мягкий рентген, а основным предметом исследований была дифракция таких импульсов на наноразмерных образцах. Лазер был настолько мощным, что его излучение неизбежно должно было разрушать изучаемый объект. Расчёты показывали, что разрушение должно было начаться приблизительно на десятой фемтосекунде (1 фc = 10^–15 с) с момента прихода переднего фронта импульса.

Избежать разрушения можно было, только используя сверхкороткие импульсы, – чтобы успеть зафиксировать результат дифракции до того, как объект прекратит существование и превратится в плазму. В итоге удалось получить импульсы длительностью в 25 фс. С каждым импульсом на объект «обрушивался» триллион фотонов, интенсивность излучения составляла 4 · 10¹³ Вт/см² при длине волны 32 нм, а температура образца достигала 60 000 К. В эксперименте были получены дифракционные картинки от объектов, детали которых были точно известны. Изображение, реконструированное по дифракционной картине, ничем не отличалось от исходного, а потому был сделан весьма важный вывод: за время формирования дифракционного рисунка образец не успевал получить каких-либо повреждений.

Остановимся на деталях эксперимента. Луч лазера направлялся на прорезанный в специальной мембране рисунок. Дифрагировавший же пучок направлялся на специально сконструированное слоистое зеркало с отверстием в центральной его части.

Материал отражающей поверхности слоистого зеркала был подобран таким, чтобы оно в максимальной степени отражало рентгеновское излучение, и в минимальной – тепловое. Источником теплового излучения была та плазма, в которую превращался образец за время прохождения лазерного импульса. именно это излучение и могло исказить записываемую дифракционную картину. Кроме того, вся установка помещалась в глубокий вакуум, чтобы записи дифракционной картины ничто не мешало.

Та часть пучка, которая в дифракции не участвовала, выходила за пределы установки через отверстие в центральной части зеркала и, таким образом, исключалась из процесса формирования дифракционной картинки. Дифрагировавшая же часть от зеркала отражалась на «экран», представлявший собой чип 1300 × 1340 пикселей размерами 20 × 20 мкм каждый. Информация, снимавшаяся с чипа, по сути, была «оцифрованной» дифракционной картинкой. На основе этой информации и реконструировалось изображение объекта.

Адекватность используемой в эксперименте методики, безусловно, нужно было как-то проверить. Для этого с помощью сканирующего электронного микроскопа было получено «независимое» изображение исследуемого объекта. Отличий от того изображения, которое восстанавливалось по дифракционной картинке, зафиксировано не было, а потому методика эксперимента была признана вполне корректной.

В данном случае минимальный размер, который удалось «увидеть», составил 62 нм. При этом сами авторы эксперимента отмечали в своей публикации, что ими сделан всего лишь первый шаг на долгом и перспективном пути. Они рассчитывают, что им удастся понизить «рабочую» длину волны лазерного излучения и получить максимально возможное разрешение на уровне 0,3 нм, всего лишь в три раза больше размера атома.

Недавно та же группа учёных завершила ещё одно весьма многообещающее исследование. Используя фемтосекундный лазер, физикам удалось получить голографическое изображение сверхбыстрого процесса – взрыва субмикронного полистиролового шарика, – длящегося всего несколько пикосекунд (1 пс = 10^–12 с)! Опыты проводились с лазером на длине волны 32 нм, но уже сейчас группа располагает лазерами с длиной волны 2 нм. Уменьшая при этом продолжительность одного импульса до нескольких фемтосекунд (период колебаний отдельных атомов), исследователи надеются увидеть в недалёком будущем объёмное изображение поведения отдельных молекул.

Судя про всему, скоро этим надеждам суждено сбыться. Как сообщает сетевое издание «Наука и разработки» [rnd.cnews.ru], в ближайшее время в Гамбурге начнётся реализация европейского проекта по строительству рентгеновского лазера длиной 3,4 км, причём по размеру инвестиций в проект Россия (представленная государственной корпорацией нанотехнологий РОСНАНО) займёт в консорциуме участников второе место после Германии. Благодаря этому российские физики смогут стать ключевыми фигурами в освоении пространства нанометров и фемтосекунд.

На основе статьи H.-N. Chapman, A.-B Bart et al. Femtosecond diffractive imaging with a soft-X-ray free-electron laser. – Nature Physics online. 12 Nov 2006.