Что делают протоны, когда на них никто не смотрит

Оптическая лаборатория чем-тонапоминает отсек затерянного в глубинах космоса космического корабля из«Звездных войн». Темнота, нарушаемая лишь светом мониторов и вспышками лазеров,и мерный гул вентиляции и охлаждающих систем. Плотные шторы изолируют этотуголок пространства от остального мира, позволяя проводить множествочувствительных экспериментов. Один из таких экспериментов я и проводил, сидя в темной лаборатории в один из осенних вечеров уже такогодалекого 2018-го. Увидеть невидимое Случайно заглянувший в комнату наблюдатель скореевсего счел бы происходящее на экране обыкновенным аппаратным шумом — мешанинойсветлых и темных пикселей, заполоняющих экран, когда кто-то пытается сниматьвидео в темном помещении. И он был бы прав, если бы не одно «но». Время от времени в разных частяхэкрана, передающего изображение с камеры на оптическом столе, вспыхивали явноразличимые белые точки. Каждая такая вспышка регистрируется специальнойпрограммой, определяющей ее координаты с точностью до нанометров и яркость с точностью вплоть до отдельных фотонов (яркость измеряют в количестве фотонов, попавших на каждый из пикселей камеры).

Накопив достаточное количество вспышек, программа объединяет их в однуневероятно детализированную картинку — финальный результат работы оптическогомикроскопа сверхвысокого разрешения. Такая технология, позволившая оптическоймикроскопии обойти веками нерушимый дифракционный предел (он зависит от длины волны, для видимого света где-то 300 нанометров), была разработана ещев середине 2000-х. С тех пор она нашла множество применений — особенно вбиологии, а ее создателибыли заслуженно отмечены в 2014 году Нобелевской премией.

Сейчас микроскопы сверхвысокого разрешения — стандартный инструментом вбольшинстве лабораторий, а сам процесс получения таких снимков пересталкого-либо удивлять и завораживать. Для стандартной микроскопии сверхвысокогоразрешения необходимы специальные молекулы-маячки — флюорофоры, которыедобавляются к исследуемому образцу и распределяются по нему так, чтобы плотнымковром покрыть желаемые области. В определенных условиях эти молекулы начинаютмерцать, давая нам те самые кадры для последующей обработки и созданияизображения сверхвысокого разрешения. Не будь в образце под микроскопом такихмолекул — мы бы и впрямь не увидели ничего, кроме шума. Я же сидел и напряженно всматривался в мерцающий экран потому, что точно знал, что никаких флюорофоров кисследуемому образцу не добавлял. Темне менее, характерно мерцающие точки упрямо продолжали появляться на экране. Можно ли обойтись без флюорофоров? Как выяснилось потом, разгадка этого феномена крылась в необычностиобразца под микроскопом — нитриде бора в виде тончайших микрометровых хлопьев,всего лишь в несколько атомов толщиной. Сами по себе выращенные в лабораторныхусловиях идеальные кристаллы нитрида бора особенных оптических эффектов недают, но стоит лишь отделить от них такие тонкие хлопья и обработатьопределенным образом, как они начинают флюоресцировать в лазерном луче. И дело здесь даже не в самом материале — егособственная флюоресценция проявляется лишь на гораздо больших энергиях (приоблучении ультрафиолетовым светом, в котором светятся многие привычные намматериалы, например, бумага). Вспыхивающие на экране яркие точки — это сигналыот множества атомарных дефектов, возникающих в тонких слоях нитрида бора впроцессе обработки. Такие дефекты существенно понижают необходимую длявозбуждения флюоресценции энергию лазерного луча, поэтому зачастую называютсяоптически-активными. Но все-таки, почему эти оптически-активныедефекты, рассыпанные по поверхности хлопьев нитрида бора, мерцают, подобнозвездам? В том, собственно, и был вопрос. Первые эксперименты показали, что такиедефекты не очень-то активны на воздухе. Но стоило добавить на их поверхностькаплю воды — как они сразу же активизировались и начинали свой мерцающий танец. Что таким страннымобразом действовало на оптическую активность дефектов? Все дело — в правильном заряде! Еще школе мы проходили диссоциацию — когда в целом электрически нейтральная молекула H 2 Oразделяется в растворах на два иона: положительно заряженный H + иотрицательно заряженный OH - . То есть в целом электрическинейтральная вода на самом деле полна снующих туда-сюда электрических зарядов.

Но причем здесь наши дефекты? Оказывается, что и они не всегда электрическинейтральны. Точнее, они могут быть как нейтральными, так и положительно илиотрицательно заряженными. И их заряд кардинальным образом влияет на ихповедение. Исследования с помощью электронного микроскопа, атакже компьютерные симуляции поверхности нитрида бора показали, что большаячасть таких дефектов — это отсутствующие в кристаллической решетке материалаатомы бора. Более того, каждый сгинувший в небытие атом бора также уносил ссобой положительный заряд, оставляя вместо себя отрицательно-заряженные дефектыв кристаллической решетке. Но это — на воздухе. Стоит лишь покрытьповерхность хлопьев нитрида бора водой, как к отрицательно заряженным дефектамхаотичным роем устремляются положительно заряженные ионы водорода,восстанавливая электрическую нейтральность. Разумеется, осчастливленные дефектысразу же стремятся рассказать всему миру о нейтрализовавшем их негативзамечательном ионе водорода — протоне — и, не придумав ничего лучшего, заявляютоб этом, начиная флуоресцировать. Эти-то флуоресцентные звезды и регистрируеткамера. Но не спешите расстраиваться за их тяжелуюсудьбу — вакантное место долго не пустует. На смену «уплывшим» протонамприходят новые, и наши дефекты снова засветятся. Процесс активации-деактивациидефектов повторяется снова и снова — так и появляются мерцающие маячки,танцующие на поверхности хлопьев нитрида бора. Что можно увидеть, если долго смотреть на звезды Странное на этом не заканчивалось: мне показалось, что я вижу не просто отдельные маячки, а их последовательноевключение-выключение. Они будто передавали друг другу какой-то специальныйсигнал. Что это — игра воображения или же реальный физический процесс? Списать все на усталость многочасового сидения в темнотелаборатории? Лучший способ проверить гипотезу — этоподтвердить ее экспериментальными данными. Несколько часов анализа полученныхизображений поверхности хлопьев нитрида бора, и вот на экране появляетсяреконструированная картинка сверхвысокого разрешения. На ней видны вытянутыетраектории, образованные последовательно активированными дефектами. А значит,это можно показывать коллегам по лаборатории. Разумеется, на более серьезное исследованиеобнаруженного эффекта и скрупулезный анализ полученных данных ушел не одинмесяц напряженной — и уже совместной с коллегами из нескольких лабораторий —работы. Не меньше времени заняло и оформление результатов этого исследования внаучную статью, отправку ее в научный журнал и процесс ее рецензированиянезависимыми экспертами. Дополнительные эксперименты и компьютерноемоделирование, десятки внесенных исправлений и комментариев, сотничеловеко-часов! Наконец, работа закончена и принята к публикации . Прыгающие протоны Загадочныетраектории, увиденные мной в темной лаборатории, тоже нашли свое объяснение. Оказалось, что все делобыло в тех самых ионах водорода — протонах, которые покидали один дефект наповерхности нитрида бора, только чтобы тут же прицепиться к соседнему. При этомтакое «перепрыгивание» с одного поверхностного дефекта на другой они явнопредпочитали тихому и спокойному плаванию в толще воды. Но самое любопытное,что такая необычная система впервые позволила с помощью оптического микроскопавизуализировать перемещение отдельных протонов по поверхности материала. Да ещеи вприпрыжку! Самым сложным во всей работе было отличитьодин «прыгающий» с дефекта на дефект протон от множества случайным образомприкрепляющихся к соседним дефектам протонов. Ведь в обоих случаях можнополучить последовательность вспышек. Здесь на помощь снова пришло компьютерноемоделирование. Оно показало, что в большинстве случаев формирование траекториивозможно, только если есть активное броуновское движение (диффузия) одной и тойже частицы по поверхности материала. Более того, анализ статистики «прыжков»показал, что есть четкая грань между реальным последовательным перемещением протоновс дефекта на дефект и простой активацией соседних дефектов. К примеру, вусловиях эксперимента протон, как правило, не мог за один раз прыгнуть дальше,чем на 300 нанометров. Безусловно, это исследование поднимает немаловопросов. Например, как именно протоны прикрепляются к дефектам? Чемобъясняется форма и длительность их траекторий? Можно ли влиять на этипараметры? А, может, возможно как-то организовать целенаправленнуютранспортировку протонов? Вопросов и планов на дальнейшие исследования действительномного. Это и неудивительно, ведь модель динамики перемещения электрическихзарядов на границе между жидкостью и твердым телом применима в совершенноразных областях: от клеточных мембран в биологии, до исследования новыхкатализаторов и энергоносителей будущего.