Знание-сила, 1999 № 11-12

Туннелированием в квантовой и атомной физике называется «подпороговое» проникновение легких частиц. Речь идет не о преодолении энергетического барьера, «запирающего» самопроизвольное протекание реакций и процессов, а как бы о протекании под ним. Представьте себе морскую волну у берега. Встречая препятствие, она может, разбившись, перелететь через него. А может просочиться снизу, если там есть щель. В физическом микромире такой эффект связан с дуалистической или двойственной природой материи, построенной из частиц-волн. Это, как известно, краеугольный камень основания всей квантовой физики.

Белковая цепь фермента с туннельным каналом в центре.

Туннельный микроскоп позволил увидеть атомы на поверхности образца.

В норме при обычных условиях – той же комнатной температуре – газ на кухне самопроизвольно не возгорается (если у вас не особая горелка). Так же спокойно лежат и спички: горение органики, то есть ее соединение с кислородом воздуха, невозможно без преодоления энергетического барьера, то есть подведения к системе определенной энергии (газ вспыхивает только после поднесения к нему зажженной спички).

Но иногда процессы протекают и без подведения полной энергии активации. В качестве аналогии можно привести пример испарения воды. Она бурно испаряется при кипении, но медленное испарение – «высыхание» – происходит и при комнатной температуре. Проход материальной частицы под пиком энергетического барьера получил название туннелирования. Де Бройль установил, что оно связано с длиной волны частицы, например того же электрона. Длина волны обратно пропорциональна корню квадратному из массы. Между тем электрон в 1836 раз легче протона – вот почему есть сканирующий электронный туннельный микроскоп, но пока еще нет протонного.

Принцип работы туннельного микроскопа связан со способностью электрона проскакивать по туннелю зазор между кончиком иглы «пробника» и поверхностью образца. При приближении иглы к «холму» расстояние уменьшается и по туннелю устремляется большее число электронов – ток возрастает. Для его выравнивания иглу приходится поднимать, потом снова опускать. Так путем последовательных «рейсов» иглы осуществляется сканирование поверхности. Если игла слишком приблизилась к атому или молекуле, то последние «прилипают» к ней, что дает возможность перемещать частицы с места на место. Можно также разрезать молекулу, что и было однажды проделано. Но мы несколько увлеклись…

В Институте теоретической и экспериментальной физики (Москва) создан уникальный прибор, позволяющий быстро – за секунды – и надежно идентифицировать вирусы. Ученым пришла в голову отличная идея использовать в этой совершенно нетрадиционной области туннельный микроскоп. Он сканирует поверхность образца с шагом движения 0,1 ангстрема. Поскольку размеры атомов в среднем не превышают нескольких ангстрем, то можно сказать, что игла буквально ощупывает их поверхность.

Из-за малых расстояний между исследуемым объектом и катодом для работы туннельного микроскопа не требуется специальных вакуумных условий, так как на ангстремных расстояниях не происходит рассеивания электронов. А это означает, что анализируемый объект во время исследований может находиться и на воздухе, и в водной среде. Такое уникальное свойство туннельного микроскопа в лаборатории профессора Александра Суворова использовали в совершенно новой области – в вирусологии. Оказалось, что если находящийся в воде вирус попадает в промежуток между катодом и анодом, то он экранирует электрическое поле, что дает возможность получать изображение этого вируса. Методика ИТЭФ уникальна, готовится ее патентование за рубежом.

По сообщению газеты «Коммерсантъ»

Но нас интересуют протоны…

Итак, электронный микроскоп работает, но нас-то сейчас интересуют протоны, потому что именно протоны играют решающую роль во многих биохимических процессах в клетке.

Естественно, что туннелирование облегчается при снижении температуры. В.И.Гольданскии еще в 1979 году опубликовал в журнале «Нейчур» статью, где дал расчет, согласно которому значительное туннелирование протона водорода происходит только при 160 К и более низких температурах (напомним, что комнатная температура составляет 293-298 К).