Наиболее молодое и перспективное направление в исследовании свойств поверхности — сканирующая зондовая микроскопия. Зондовые микроскопы имеют рекордное разрешение — менее 0,1 нм. Они измеряют взаимодействие между поверхностью и сканирующим её микроскопическим остриём — зондом — и выводят трёхмерное изображение на экран компьютера.
Методы зондовои микроскопии позволяют не только видеть атомы и молекулы, но и воздействовать на них. При этом — что особенно важно — объекты могут изучаться не обязательно в вакууме (что обычно для электронных микроскопов), но и в различных газах и
жидкостях.
Первый зондовый микроскоп — сканирующий туннельный микроскоп — изобрели в 1981 г.
сотрудники Исследовательского центра фирмы IBM Г. Бинниг и X. Рорер (США). Они
попытались сконструировать прибор для исследования участков поверхности размером менее
10 нм. Результаты превзошли самые смелые ожидания: учёным удалось увидеть отдельные
атомы, размер которых в поперечнике составляет около 1 нм. За изобретение туннельного
микроскопа Бинниг и Рорер в 1986 г. были удостоены Нобелевской премии.
В основе работы сканирующего туннельного микроскопа лежит квантово-механическое
явление, называемое туннельным эффектом. Тонкое металлическое остриё — зонд (заряжен
отрицательно) — подводится на близкое расстояние к образцу, тоже металлическому (заряжен
положительно). Когда промежуток составит всего несколько межатомных расстояний,
электроны начнут свободно проходить через него — «туннелировать»: через зазор потечёт ток.
Для работы микроскопа решающее значение имеет резкая зависимость силы туннельного тока
от расстояния между остриём и поверхностью образца. При уменьшении зазора всего на 0,1 нм
ток возрастёт примерно в 10 раз. Следовательно, даже неровности размером с атом вызывают
заметные колебания величины тока.
Для получения изображения зонд сканирует поверхность, а электронная система считывает
величину тока, и как только величина меняется, остриё опускается или поднимается. Таким
образом система поддерживает величину тока постоянной, а траектория движения острия
повторяет рельеф поверхности, огибая возвышенности и углубления.
Остриё перемещает пъезосканер — манипулятор из материала, способного изменяться под
действием электрического напряжения. Обычно он имеет форму трубки с несколькими
электродами, которая удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с
точностью до тысячных долей нанометра.
Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое строится
по точкам на экране. Для наглядности участки разной высоты окрашены в различные цвета.
С помощью туннельного микроскопа, например, обнаружили, что атомы на поверхности
кристалла расположены не так, как внутри, и часто образуют сложные структуры.
В туннельный микроскоп можно изучать лишь проводящие ток объекты. Однако в него бывают
«видны» и тонкие диэлектрики (в виде плёнки), если их поместить на поверхность
проводящего материала. Несмотря на то что этот эффект ещё не нашёл полного объяснения, его
с успехом применяют для изучения многих органических плёнок и биологических объектов —
белков, вирусов.
С помощью иглы микроскопа даже наносят рисунки на металлические пластины, используя в качестве «пишущего» материала отдельные атомы — их осаждают
на поверхность или удаляют с неё. Так, в 1991 г. сотрудники фирмы IBM написали атомами
ксенона (инертного газа) на поверхности никелевой пластины название своей фирмы — IBM.
Букву I составили всего 9 атомов, а буквы В и М — 13 атомов каждую.
В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Впрочем, даже у
просто срезанной под углом 30—60° проволоки один из атомов всегда оказывается ближе других к исследуемой поверхности и играет роль острия. Если же на конце иглы случайно оказалось несколько выступов, изображение может двоиться, троиться, и тогда иглу травят в кислоте, придавая ей нужную форму.
Следующим шагом в развитии сканирующей зондовой микроскопии стало создание атомно-силового микроскопа. Его изобрели в 1986 г. Бинниг, Квейт и Гербер. Если в туннельном микроскопе решающую роль играет резкая зависимость туннельного тока от расстояния между зондом и образцом, то для атомно-силового микроскопа такое же значение имеет зависимость силы взаимодействия тел от расстояния между ними.
Зондом атомно-силового микроскопа служит миниатюрная упругая пластина — кантилевер. Один её конец закреплён, а на другом сформировано зондирующее остриё из твёрдого материала — кремния или нитрида кремния. При перемещении зонда силы взаимодействия между его атомами и неровной поверхностью образца будут изгибать пластину. Если перемещать зонд так, чтобы прогиб оставался постоянным, получится изображение профиля поверхности. Такой режим работы микроскопа называется контактным. Он позволяет измерять с разрешением в доли нанометра не только рельеф, но и силы трения, упругость и вязкость исследуемого объекта.
Сканирование в контакте с образцом часто приводит к его деформации и разрушению. Воздействие зонда на поверхность может быть полезным, например, при изготовлении микросхем. Однако зонд может легко порвать тонкую полимерную плёнку или повредить бактерию, вызвав её гибель. Чтобы избежать этого, кантилевер приводят в резонансные колебания вблизи поверхности и регистрируют изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний, вызванных взаимодействием с поверхностью. Такой метод позволяет изучать живые микробы: колеблющаяся игла действует на бактерию, как лёгкий массаж, не причиняя вреда и позволяя наблюдать за её движением, ростом и делением. В 1987 г. И. Мартин и К. Викрамасингх (США) предложили в качестве зондирующего острия
использовать намагниченную микроиглу. Так появился магнитно-силовой микроскоп.
Он позволяет увидеть отдельные магнитные области в материале — домены — размером до 10
нм. Используют его и для сверхплотной записи информации, формируя на поверхности плёнки
домены с помощью полей иглы и постоянного магнита. Такая запись в сотни раз плотнее, чем
на современных магнитных и оптических дисках.
Возникновение сканирующей зондовой микроскопии удачно совпало с началом бурного
развития компьютерной техники, открывающей новые возможности использования зондовых
микроскопов. В 1998 г. в Центре перспективных технологий (Москва) создана модель
сканирующего зондового микроскопа «ФемтоСкан-001», которым управляют также через
Интернет. Теперь в любой точке земного шара исследователь сможет работать на микроскопе, а
каждый желающий — «заглянуть» в микромир, не отходя от компьютера.

Чрезвычайно плодотворной оказалась идея применить в микроскопии телевизионную систему с
растровой развёрткой (см. статью «Телевизионная техника»). Первоначально принцип
растровой развёртки предполагалось использовать в обычном световом микроскопе — чтобы
повысить контрастность изображения. Затем решили сканировать тонким электронным лучом сам образец и последовательно передавать информацию о каждой его точке в «собирающий элемент» (например, фотоумножитель), а с него — на экран телевизора (кинескоп). Разрешающая способность растрового микроскопа в первую очередь зависит от диаметра электронного пучка, который у лучших моделей составляет около 5 нм, а в отдельных случаях его удаётся уменьшить в 10— 15 раз. На контрастность изображения влияют электрические и магнитные поля образцов, поэтому на магнитных лентах или диске можно различить области с разной намагниченностью (домены), «увидеть» разность потенциалов частей кремниевого диода. Первыми биологическими объектами, «попавшими» в растровый электронный
микроскоп, стали амёба и личинка мучного червя, покрытые тонким слоем серебра. Сегодня
уже получены интересные изображения красных и белых клеток крови, раковых клеток,
бактерий; изучены и внутриклеточные структуры — ядро, митохондрии, лизосомы.

Основными элементами просвечивающего электронного микроскопа, как и светового, являются конденсор, объектив и окуляр. Роль источника света играет электронная пушка: катод испускает электроны, анод фокусирует и ускоряет их. Затем электроны попадают в конденсорную систему, задача которой в микроскопах любого типа — собрать и направить на объект исследования как можно больше лучей от источника. Сформированный пучок электронов попадает на образец и затем в объектив, в фокальной плоскости которого образуется первое увеличенное изображение. При помощи проектора, представляющего собой систему магнитных линз, оно переносится на экран или фотопластинку в ещё более увеличенном виде.
Микроскопы этой конструкции работают на просвет: изображение создают электроны, прошедшие образец насквозь. Поэтому для исследования либо берут плёнку из материала образца, либо делают отпечаток его поверхности — реплику.
В просвечивающий электронный микроскоп хорошо видны очень маленькие, размером всего в
несколько десятков атомных объёмов, пустоты в металле (поры) и нарушения (дефекты)
кристаллической структуры (так называемые дислокации), которые сильно влияют на свойства
материалов. Так были открыты некоторые вирусы, например возбудитель полиомиелита
(размер 1—2 нм), изучено строение бактерий и клеток Разрешение просвечивающего
микроскопа достигает 0,1 нм, что позволяет видеть отдельные атомы.

Незаменим лазер и в хирургии. Световой луч, разрезая кровеносные сосуды, одновременно «заваривает» их, останавливая кровотечение. Разрез получается тонкий и чистый, лазер травмирует живую ткань гораздо меньше, чем скальпель, причём снижается опасность инфицирования раны. Более того, с помощью лазерного луча проводят операции, которые невозможно сделать другим инструментом. В первую очередь это операции на глазах. Лазерный «скальпель» — световой луч, сфокусированный на сетчатке (тонком слое светочувствительных клеток, выстилающих изнутри глазное дно), вводят в глаз прямо через зрачок. Меняя длительность импульса и его энергию, аккуратно «приваривают» отслоившуюся сетчатку или отрезают больные сосуды, не давая им разрастаться. Цвет излучения играет существенную роль в лазерной хирургии. Например, кровь пропускает красный свет, а поглощает синий и зелёный. Поэтому рубиновый или гелиево-неоновый лазер для «заваривания» сосудов не годится. Зато синий луч аргонового лазера мгновенно вызовет свёртывание крови, и её сгусток «запечатает» сосуд. Но красный луч можно пропустить сквозь сеть капилляров, сфокусировать на опухоли и разрушить её. Кровеносные сосуды останутся неповреждёнными. На теле человека имеется множество точек, раздражая которые стимулируют или «тормозят»
работу внутренних органов. Раньше на эти точки воздействовали, вводя в них тонкие иглы. А
сегодня с той же целью применяют лазерное излучение.
Когерентный свет сильно влияет на живые организмы. Например, обработка семян лазерным
излучением повышает их всхожесть. Растения лучше растут и развиваются, более устойчивы к
болезням, легче переносят похолодания и засуху.
Даже слабый когерентный свет, по-видимому, способен вызывать мутации (от лат. mutatio —
«изменение», «перемена») — стойкие и не всегда благоприятные для организма изменения
наследственности. Поэтому даже маломощные лазеры снабжают табличками: «Осторожно!
Лазерное излучение!».

Свет — это поток испускаемых атомами особых частиц — фотонов, или квантов
электромагнитного излучения. Их следует представлять себе в виде отрезков волны, а не как
частицы вещества. Каждый фотон несёт строго определённую порцию энергии,
«выброшенную» атомом. Но чтобы атом мог излучать энергию, он должен иметь некоторый её
запас.
Когда энергия атома минимальна, говорят, что он находится на низшем, или стабильном,
энергетическом уровне. Все остальные его уровни называются возбуждёнными. В стабильном
состоянии атом может существовать неограниченно долго, а с возбуждённого уровня стремится
«упасть», отдав энергию. При переходе с высокого уровня на более низкий атом и излучает
фотон.
На любом возбуждённом энергетическом уровне атом находится какое-то время. Потом он
обязательно самопроизвольно возвращается в стабильное состояние, излучив фотон. Но если
этот срок достаточно велик (по атомным масштабам), может сработать другой механизм
излучения. Атом тогда «соскочит» с верхнего уровня на нижний под влиянием пролетающего
мимо фотона. Нужно только, чтобы энергия фотона была равна разности энергий атомных
уровней.
Вызвавший излучение и излучённый фотоны абсолютно идентичны, их частоты равны и фазы
одинаковы. Когда они встретятся с двумя возбуждёнными атомами, фотонов станет 4. Потом 8,
16 и т. д. Возникнет лавина неотличимых друг от друга фотонов, образующих так называемое монохроматическое (одноцветное) когерентное излучение. Это
вынужденное излучение обладает целым рядом интересных свойств.

Как унести в кармане 30 томов Большой советской энциклопедии или весь Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона? Как измерить расстояние до Луны с точностью до сантиметра? Как в долю секунды пробить отверстие в алмазе, сделать операцию на глазном дне и сбить на лету баллистическую ракету?
Ответ один: это можно сделать при помощи лазера — удивительного изобретения XX столетия. Лазерная техника ещё очень молода — ей нет и полувека. Однако за это совсем небольшое время лазер из любопытного лабораторного устройства превратился в средство научного исследования, в инструмент, применяемый в промышленности. Трудно найти такую область современной техники, где бы не работали лазеры. Их излучение используется для связи, записи и чтения информации, для точных измерений; они незаменимы в медицине — хирургии и терапии. Многие учёные считают, что кардинальные изменения, которые лазер внёс в жизнь человека, подобны последствиям промышленного применения электричества в конце XIX в. Огромные возможности лазерной технологии объясняются особыми свойствами лазерного
излучения. Его природу изучает квантовая механика. Именно её законы описывают процессы,
происходящие в лазере, поэтому его называют также оптическим квантовым генератором.