Английский физик Дж. У. Рэлей (1842–1919) доказал, что предел разрешения микроскопа, ограничивающий минимальные размеры рассматриваемого объекта, равен 1/2 длины световой волны. Поскольку самые короткие длины волн видимого света составляют 400 нм, то разрешающая способность оптических микроскопов – около 200 нм.
Исследование объектов микромира (структуры клеточной мембраны, органоидов растительной и животной клеток, двойной спирали ДНК и т. п.) связано с созданием электронного микроскопа. Он позволил значительно расширить возможности исследования веществ на микроскопическом уровне. В электронном микроскопе вместо света используются такие же, как в обычном телевизоре, пучки электронов, ускоренные электрическим полем до больших энергий. В качестве линз выступают электромагнитные поля соответствующей конфигурации, т. е. своеобразные электронные линзы. Магнитное и электрическое поля изменяют движение потока электронов, что делает возможной фокусировку электронных лучей (в оптическом микроскопе фокусируются световые лучи).
Изображение, подобное телевизионному, наблюдают на экране, покрытом специальным составом, который светится при попадании на него потока электронов, либо фиксируют на фотопластинке.
Увидеть объекты наномира можно с помощью сканирующих зондовых микроскопов. Зондовыми они называются потому, что в роли своеобразного щупа, или зонда, выступает чрезвычайно тонкая игла.
Рис. 20. Схема устройства и работы сканирующего туннельного микроскопа: 1 – образец; 2 – остриё иглы; 3– СТМ-изображение после компьютерной обработки; 4 – регулировка цепи обратной связи
Такие микроскопы обладают по сравнению с обычными электронными более высокой разрешающей способностью. Так, они могут сканировать профиль поверхности изучаемого объекта с точностью до отдельных атомов.
Различают два основных типа сканирующих зондовых микроскопов: сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ).
Рассмотрим принцип действия СТМ (рис. 20).
Металлическая игла подводится к образцу на расстояние не скольких десятков нанометров. При таком сближении некоторые электроны, не обладающие достаточной энергией для преодоления электростатического притяжения к ядру, могут покидать электронные оболочки своих атомов. Это возможно из-за двойственной природы электрона, который является одновременно и частицей, и волной. Именно волновые свойства электрона позволяют ему покинуть «родную оболочку» через «туннель» в энергетическом барьере притяжения к ядру. (Своеобразной моделью к сказанному может служить фрагмент из голливудского блокбастера Бекмамбетова «Особо опасен», в котором наглядно представлен процесс огибания пулей (аналога электрона) препятствия (аналога энергетического барьера).)
Рис. 21. Схема устройства