«Сухой» контакт, возникающий между иглой и поверхностью, в контактной моде АСМ оказался очень неприятной вещью. Мало того что игла в таком режиме работы стирается и тупится, она к тому же активно перемещает адсорбированные атомы по поверхности образца и рвет биологические молекулы, лежащие на гладкой рабочей поверхности. Избавиться от этого неудобства удалось достаточно изящным способом: кантилевер с иголочкой на конце заставили колебаться на резонансной частоте с амплитудой в несколько десятков нм. Такой режим работы АСМ называют таппинг-модой, поскольку зонд как бы обстукивает исследуемую поверхность своей иголочкой.
Понять, почему такой колеблющийся кантилевер будет хорошо чувствовать поверхность, легко: достаточно коснуться звенящего колокольчика рукой. Колокольчик мгновенно замолчит, так как его колебания быстро затухнут, поскольку энергия начнет «уходить» в руку.
Колеблющийся зонд очень полюбился физикам, биологам и технологам, и сегодня именно такой режим работы чаще всего используется в АСМ. Возбуждая зонд на резонансной частоте и следя не только за амплитудой, но и за частотой собственных колебаний кантилевера, можно получить дополнительную информацию о механических свойствах исследуемого материала. С помощью иголочки, которая ударяет по поверхности сотни тысяч раз в секунду, как правило, не удается увидеть отдельные атомы, но это не так уж и важно для большинства технологических применений АСМ.
Используя колеблющийся зонд, можно вообще отказаться от сверхминиатюрных и мягких кантилеверов. Оказалось, что пьезорезонансные датчики, активно использующиеся в промышленности для измерения температуры, давления и массы, можно употребить и в такой деликатной области, как атомно-силовая микроскопия. Маленький камертон, изготовленный из пьезокерамики, отлично чувствует момент непосредственного контакта установленной на нем иглы с поверхностью и позволяет уверенно различать элементы структуры поверхности размером менее 10 нм в плоскости и 1 нм по высоте. При этом его собственная жесткость соизмерима с жесткостью пружины от подвески «Жигулей», а геометрические размеры измеряются миллиметрами.
Сенсорика атома
В туннельном микроскопе между острием и поверхностью нет прямого механического контакта, поскольку электроны летают между зондом и образцом через вакуумный промежуток. Однако электрические силы, действующие на острие и находящиеся под ним атомы, существуют, и они совсем не маленькие. Под действием этих сил атомы могут мигрировать по поверхности и даже улетать с острия. Это очень ценное свойство СТМ сегодня активно используется при работе с квантовыми точками и изолированными ионами.
Но эти электрические силы накладывают и определенные ограничения на жесткость зонда с иглой в СТМ. Мягкий зонд, используемый в классических АСМ, при прикладывании к нему электрического напряжения под действием этих сил мгновенно изгибается и врезается в поверхность. В этом состоит одна из принципиальных причин, затрудняющих совмещение в одном приборе с одним и тем же зондом туннельного и атомносилового режимов. Случайное внедрение иглы в образец приводит к его деформации и поломке иглы. Но нет худа без добра. Способность АСМ делать маленькие дырочки и рисовать тонкие черточки сегодня активно используют для изучения прочности и износоустойчивости композиционных и тонкопленочных материалов. Правда, далеко не любой из современных материалов можно проколоть и поцарапать, используя тонкие кантилеверы и обычные кремниевые иглы.
У сканирующих зондовых микроскопов существует достаточно много узких специализаций и конструкций, разработанных под конкретные задачи. Чудес не бывает, и совместить в одном приборе рекордные характеристики, полученные на уникальных образцах, невозможно. Однако попытки создания универсального прибора, позволяющего одновременно измерять форму и механические свойства поверхности, а также определять проводимость и локальную емкость в точке контакта иглы с образцом, не прекращаются. Уже существуют экземпляры атомносиловых микроскопов, умеющие все это делать и к тому же позволяющие измерять микротвердость алмазоподобных пленок и истираемость защитного покрытия из углеродных нанотрубок.
Для того чтобы решить столь обширный комплекс задач, приходится использовать токопроводящие алмазные иглы и пьезорезонансные зонды с жесткостью автомобильной пружины. Именно благодаря такой большой жесткости всей конструкции (более 10 000 Н/м) электрическое напряжение между иглой и образцом не мешает нормальной работе АСМ. С помощью таких приборов в режиме реального времени можно наблюдать окисление кремния после того, как его поцарапали алмазной иглой зонда.
Глаза боятся, а руки делают, и успехи сканирующей микроскопии как нельзя лучше доказывают эту древнюю истину. Былой пиетет перед атомами и тем, как они друг за друга цепляются, безвозвратно ушел в прошлое. Осознание возможности «на ощупь» исследовать вещество и определять его структуру кардинально изменило представления о технологических возможностях в мире атомов. Ведь без умения измерять и контролировать параметры материалов и конструкций на нанометровом масштабе не может быть и речи о том, чтобы что-то осмысленно создавать в области нанотехнологий, где каждый атом на счету.
Кирилл Гоголинский, кандидат технических наук
Владимир Решетов, кандидат физико-математических наук
Арсенал:
Автомат Калашникова – классика огня
«Холодная война», начавшаяся сразу по окончании Второй мировой, стимулировала быстрое перевооружение противостоящих сторон. Советскому Союзу в сложных условиях восстановления разрушенного хозяйства пришлось вести новые разработки практически по всем направлениям: ядерное и управляемое ракетное оружие, зенитные средства, бронетанковая и авиационная техника, оружие пехоты.
Создание новой системы пехотного вооружения входило в число приоритетных задач послевоенного времени. Главными направлениями стали – разработки высокоманевренных образцов автоматического индивидуального и коллективного оружия, сильных носимых противотанковых средств, повышение боевых свойств зенитных пулеметных установок.
Если самозарядный карабин и ручной пулемет под промежуточный патрон в целом оказались отработаны уже к концу войны, то с автоматом вопрос оказался сложнее. В 1946 году свои проекты автоматов представили Н.В. Рукавишников, А.А. Дементьев, Г.А. Коробов и молодой старший сержант М.Т. Калашников. Система Калашникова обратила на себя внимание, но нуждалась в существенной доработке и изменениях. В помощь Калашникову выделили ковровского конструктора А.А. Зайцева, позднее – В.И. Соловьева. Во время работ на Научно-испытательном полигоне минометного и стрелкового вооружения в Щурово большую помощь оказали офицеры полигона В.Ф. Лютый и А.А. Малимон, представитель ГАУ В.С. Дейкин.
На заключительный этап испытаний в январе 1947 года попали автоматы А.А. Булкина, А.А. Дементьева и М.Т. Калашникова. В опытном образце, представленном последним, уже определились основные черты знаменитой впоследствии «системы Калашникова». Вопреки мифу система АК не была заимствована у немецкого автомата МР.44 (см. «Вокруг света» № 11, 2004 г.). Автоматика и узел запирания несли следы влияния американской самозарядной винтовки «гаранд», ударно-спусковой механизм – чешской винтовки ZH-29, но все это сочеталось с оригинальными конструктивными решениями. Характерно, что автомат сразу разрабатывался в двух вариантах: с постоянным (для стрелковых и мотострелковых частей) и со складывающимся прикладом (для воздушно-десантных войск). Выбор образца был не прост. Все испытанные автоматы не соответствовали требованиям по кучности стрельбы очередями. Однако заказчик предпочел кучности снижение массы и размеров, уделив особое внимание надежности, живучести и простоте обращения. Образец Калашникова показал большую надежность и был вполне готов к массовому производству. В июне 1949 года на вооружение приняли АК – «автомат Калашникова образца 1947 г.» (из-за чего его именуют также АК-47). Его крупносерийное производство начал Ижевский машиностроительный завод («ИЖмаш»), где и обосновалась конструкторская группа Калашникова.
К 1953 году – времени внедрения в Советские Вооруженные Силы ядерного оружия – подоспело и новое поколение пехотного оружия: самозарядный пистолет Макарова (ПМ), автоматический пистолет Стечкина (АПС), самозарядный карабин Симонова (СКС), автоматы Калашникова (АК и АКС), ручной пулемет Дегтярева (РПД), ротный пулемет РП-46, модернизированные станковый пулемет Горюнова (СГМ) и пулемет Дегтярева – Шпагина (ДШКМ), новый крупнокалиберный пулемет Владимирова в варианте пехотного (ПКП) и зенитного (ЗПУ), ручной противотанковый гранатомет РПГ-2 и станковый СПГ-82. В странах НАТО работы над новым индивидуальным оружием пошли по иному пути. В Великобритании, Бельгии и США создали новые типы патронов. И хотя, скажем, британский 7-мм патрон был ближе к промежуточному, по настоянию американцев в 1953 году был принят американский патрон винтовочной мощности 7,62х51 (7,62-мм патрон НАТО). Если для пулеметов он был приемлем, то для индивидуального оружия не очень. Энергия отдачи была слишком велика, и для получения приемлемой меткости приходилось увеличивать размеры оружия и вести в основном одиночный огонь. Это относилось и к не очень удачной американской самозарядной винтовке М14, и к весьма успешным и широко распространившимся по миру штурмовым винтовкам– бельгийской FN FAL и германской G-3.
