Сегодня успешно развиваются технологии из сферы НАНО: они дают возможность изучать внутреннюю структуру вещества, до отдельных атомов. Ещё в восьмидесятые годы двадцатого столетия появился такой специальный микроскоп, с помощью которого можно было рассмотреть атомы на поверхности тел.

Так называемая сканирующая туннельная микроскопия со временем развивалась, а российские ученые разрабатывали новые методики, что позволяло им не терять лидирующих позиций. Нынешняя возможность попасть внутрь атома доступна благодаря сотрудникам Института физики твёрдого тела РАН и Томского политехнического университета.

Как это работает? – Изобретены вольфрамовые зонды для СТМ (сканирующей туннельной микроскопии) с ничтожно маленьким разрешением до пикометров. Благодаря им, можно получить картинку отдельных орбиталей электронов.

Туннельный сканирующий микроскоп на расстоянии около одного нанометра прощупывает поверхность исследуемого твердого тела с помощью зонда в виде тонкой иглы. Толщина её не больше атома. Именно ничтожность расстояния позволяет электронам преодолеть вакуумное препятствие, вследствие чего возникает электрический ток между исследуемой поверхностью и иглой. Если перемещать зонд вдоль поверхности, то исследование её рельефа будет отражаться в величине так называемого туннельного тока, которая будет изменяться в зависимости от рельефа исследуемой поверхности.

Нобелевский лауреат, Александр Михайлович Прохоров, поддерживал создателей сканирующего туннельного микроскопа (группа российских ученых Ельцова К. Н.), потому что это были времена лихих девяностых, когда российская наука была, мягко скажем, недофинансирована.

Представители мировой научной общественности не сразу поверили в достоверность тех данных, которые были получены российскими учеными. Они сомневались в том, что такой эксперимент возможно воспроизвести не при сверхнизкой температуре, а при комнатной. Но проделанная впоследствии техническая работа по воспроизведению эксперимента с возможностью показать используемые зонды для съемки орбиталей смогла убедить сомневающихся.

Была опубликована работа с картинками атомных орбиталей вольфрамовой иглы. В ней учеными были показаны изменения электронной структуры атомов, если образовываются связи между ними. В публикации также описаны принципы контроля за процессом прощупывания атомных орбиталей.

Благодаря этой работе, теперь существует методика, которая позволяет получать высокое разрешение в сканирующей туннельной микроскопии, а также определять химическое происхождение каждого отдельного атома на поверхности исследуемого материала.

В описываемой работе экспериментаторы смогли увидеть случайные изменения углеродных связей на поверхности графена (масштаб таких связей сравним с одним пикометром). На сегодняшний день это разрешение является рекордным для сканирующей туннельной микроскопии. Благодаря ему удалось определить структуру поверхности графена, а также его свойства (графен был выращен авторами на кремниевой подложке, которую используют в электронике сегодняшнего дня). Улучшение разрешения сканирующих микроскопов имеет колоссальное значение для дальнейшего развития атомных технологий.