Както знаете, всичко материално във Вселената се състои от атоми. Атомът е най-малката единица материя, която носи нейните свойства. От своя страна структурата на атома е изградена от магическа троица от микрочастици: протони, неутрони и електрони.
Освен това всяка от микрочастиците е универсална. Тоест не можете да намерите два различни протона, неутрона или електрона в света. Всички те са абсолютно подобни един на друг. И свойствата на атома ще зависят само от количествения състав на тези микрочастици в общата структура на атома.
Например структурата на водороден атом се състои от един протон и един електрон. Следващият по сложност атом хелий е съставен от два протона, два неутрона и два електрона. Литиевият атом се състои от три протона, четири неутрона и три електрона и т.н.
Структура на атомите (отляво надясно): водород, хелий, литий
Атомите се комбинират в молекули, а молекулите се комбинират в вещества, минерали и организми. Молекулата на ДНК, която е в основата на целия живот, е структура, събрана от същите три магически градивни елемента на вселената като камъка, лежащ на пътя. Въпреки че тази структура е много по-сложна.
Още по-удивителни факти се разкриват, когато се опитаме да разгледаме по-отблизо пропорциите и структурата на атомната система. Известно е, че атомът се състои от ядро и електрони, движещи се около него по траектория, която описва сфера. Тоест дори не може да се нарече движение в обичайния смисъл на думата. Електронът е разположен навсякъде и непосредствено в тази сфера, създавайки електронен облак около ядрото и образувайки електромагнитно поле.
Схематични изображения на структурата на атома
Ядрото на атома се състои от протони и неутрони и почти цялата маса на системата е концентрирана в него. Но в същото време самото ядро е толкова малко, че ако увеличите радиуса му до мащаб от 1 см, тогава радиусът на цялата структура на атома ще достигне стотици метри. По този начин всичко, което възприемаме като плътна материя, се състои от повече от 99% от енергийните връзки само между физическите частици и по-малко от 1% от самите физически форми.
Но какви са тези физически форми? От какво са направени и от какъв материал са? За да отговорим на тези въпроси, нека разгледаме по-отблизо структурите на протоните, неутроните и електроните. И така, слизаме още едно стъпало в дълбините на микрокосмоса - до нивото на субатомните частици.
От какво е направен един електрон?
Най-малката частица на атома е електрон. Електронът има маса, но няма обем. В научната гледна точка електронът не се състои от нищо, а е безструктурна точка.
Електронът не може да се види под микроскоп. Наблюдава се само под формата на електронен облак, който прилича на размита сфера около атомното ядро. В същото време е невъзможно да се каже с точност къде се намира електронът в даден момент. Устройствата са в състояние да уловят не самата частица, а само нейната енергийна следа. Същността на електрона не е заложена в понятието материя. По-скоро е като празна форма, която съществува само във и чрез движение.
Все още не е открита структура в електрона. Това е същата точкова частица като кванта на енергията. Всъщност електронът е енергия, но това е неговата по-стабилна форма от тази, представена от фотоните на светлината.
В момента електронът се счита за неделим. Това е разбираемо, защото е невъзможно да се раздели нещо, което няма обем. Но вече има разработки в теорията, според които съставът на електрона съдържа триединство от такива квазичастици като:
- Orbiton – съдържа информация за орбиталната позиция на електрона;
- Spinon - отговаря за въртенето или въртящия момент;
- Холон - носи информация за заряда на електрона.
Но както виждаме, квазичастиците нямат абсолютно нищо общо с материята и носят само информация.
Снимки на атоми на различни вещества в електронен микроскоп
Интересното е, че електронът може да абсорбира енергийни кванти, като светлина или топлина. В този случай атомът преминава на ново енергийно ниво и границите на електронния облак се разширяват. Също така се случва енергията, погълната от електрона, да е толкова голяма, че той може да изскочи от атомната система и да продължи движението си като независима частица. В същото време той се държи като фотон от светлина, тоест сякаш престава да бъде частица и започва да проявява свойствата на вълна. Това е доказано в експеримент.
Експериментът на Йънг
В хода на експеримента поток от електрони беше насочен към екран с два процепа, изрязани в него. Преминавайки през тези прорези, електроните се сблъскват с повърхността на друг проекционен екран, оставяйки своя отпечатък върху него. В резултат на това „бомбардиране“ от електрони, на прожекционния екран се появи интерференчен модел, подобен на този, който би се появил, ако вълни, но не частици, преминават през два процепа.
Такъв модел възниква поради факта, че вълната, преминаваща между двата слота, се разделя на две вълни. В резултат на по-нататъшното движение вълните се припокриват, а в някои области взаимно се компенсират. В резултат на това получаваме много ивици на прожекционния екран, вместо една, както би било, ако електронът се държи като частица.
Структурата на ядрото на атома: протони и неутрони
Протоните и неутроните изграждат ядрото на атома. И въпреки факта, че в общия обем ядрото заема по-малко от 1%, именно в тази структура е концентрирана почти цялата маса на системата. Но за сметка на структурата на протоните и неутроните, мненията на физиците са разделени и в момента има две теории наведнъж.
- Теория #1 - Стандарт
Стандартният модел казва, че протоните и неутроните са съставени от три кварка, свързани с облак от глуони. Кварките са точкови частици, също като квантите и електроните. А глуоните са виртуални частици, които осигуряват взаимодействието на кварките. В природата обаче не са открити нито кварки, нито глуони, така че този модел е обект на остра критика.
- Теория №2 – Алтернатива
Но според алтернативната теория на обединеното поле, разработена от Айнщайн, протонът, подобно на неутрона, както всяка друга частица от физическия свят, е електромагнитно поле, въртящо се със скоростта на светлината.
Електромагнитни полета на човека и планетата
Какви са принципите на структурата на атома?
Всичко в света - фино и плътно, течно, твърдо и газообразно - е само енергийните състояния на безброй полета, които проникват в пространството на Вселената. Колкото по-високо е нивото на енергия в полето, толкова по-тънко и по-малко забележимо е то. Колкото по-ниско е енергийното ниво, толкова по-стабилно и осезаемо е то. В структурата на атома, както и в структурата на всяка друга единица на Вселената, се крие взаимодействието на такива полета - различни по енергийна плътност. Оказва се, че материята е само илюзия на ума.
Атомът (от гръцки „неделим“) някога е най-малката частица материя с микроскопични размери, най-малката част от химически елемент, която носи неговите свойства. Съставните части на атома - протони, неутрони, електрони - вече нямат тези свойства и ги образуват заедно. Ковалентните атоми образуват молекули. Учените изучават характеристиките на атома и въпреки че вече са доста добре проучени, те не пропускат възможността да открият нещо ново - по-специално в областта на създаването на нови материали и нови атоми (продължаване на периодичната таблица). 99,9% от масата на атома е в ядрото.
Не се плашете от заглавието. Черната дупка, случайно създадена от служителите на Националната ускорителна лаборатория SLAC, се оказа с размер само един атом, така че нищо не ни заплашва. А името "черна дупка" само отдалечено описва феномена, наблюдаван от изследователите. Многократно сме ви разказвали за най-мощния рентгенов лазер в света, т.нар
Но фотографирането на самия атом, а не на част от него, беше изключително трудна задача, дори и с най-високотехнологичните устройства.
Факт е, че според законите на квантовата механика е невъзможно еднакво точно да се определят всички свойства на субатомната частица. Този раздел от теоретичната физика е изграден върху принципа на неопределеността на Хайзенберг, който гласи, че е невъзможно да се измерят координатите и импулсът на частица със същата точност - точните измервания на едно свойство със сигурност ще променят данните за другото.
Следователно, вместо определяне на местоположението (координати на частиците), квантовата теория предлага измерване на така наречената вълнова функция.
Вълновата функция работи почти по същия начин като звуковата вълна. Единствената разлика е, че математическото описание на звукова вълна определя движението на молекулите във въздуха на определено място, а вълновата функция описва вероятността частица да се появи на едно или друго място според уравнението на Шрьодингер.
Измерването на вълновата функция също не е лесно (директните наблюдения причиняват нейния колапс), но теоретичните физици могат грубо да предвидят нейните стойности.
Възможно е експериментално да се измерят всички параметри на вълновата функция само ако се събират от отделни разрушителни измервания, извършени върху напълно идентични системи от атоми или молекули.
Физици от Холандия изследователски институт AMOLF представиха нов метод, който не изисква никакви „възстановявания“ и публикуваха резултатите от работата си в списанието Physical Review Letters. Тяхната методология се основава на хипотеза от 1981 г. на трима съветски физици теоретични, както и на по-нови изследвания.
По време на експеримента екипът от учени насочил два лазерни лъча към водородни атоми, поставени в специална камера. В резултат на такова въздействие електроните напуснаха своите орбити със скоростта и посоката, определени от техните вълнови функции. Силно електрическо поле в камерата, където са разположени водородните атоми, изпраща електрони към определени части на планарния (плоския) детектор.
Позицията на електроните, удрящи детектора, се определя от началната им скорост, а не от позицията им в камерата. Така разпределението на електроните върху детектора каза на учените за вълновата функция на тези частици, която те имаха, когато напуснаха орбитата около ядрото на водородния атом.
Движенията на електроните се показват на фосфоресциращ екран под формата на тъмни и светли пръстени, които учените заснемат с цифрова камера с висока разделителна способност.
„Много сме доволни от нашите резултати. Квантова механикаима толкова малко общо с ежедневието на хората, че едва ли някой би си помислил да получи истинска снимка на квантовите взаимодействия в атома", казва Анета Стодолна, водещ автор на изследването. Тя също така твърди, че разработената техника може да има практическа употреба, например, за създаване на проводници с дебелина като атом, развитието на технологията за молекулярни проводници, което значително ще подобри съвременните електронни устройства.
"Заслужава да се отбележи, че експериментът е проведен върху водород, който е едновременно най-простото и най-често срещаното вещество в нашата Вселена. Ще бъде необходимо да се разбере дали тази техника може да се приложи към по-сложни атоми. Ако е така, тогава това е голям пробив, който ще ни позволи да развием не само електрониката, но и нанотехнологиите“, казва Джеф Лундийн от университета в Отава, който не е участвал в проучването.
Самите учени, които са провели експеримента, обаче не мислят за практическата страна на въпроса. Те смятат, че тяхното откритие се отнася преди всичко до фундаменталната наука, която ще помогне за предаването на повече знания на бъдещите поколения физици.
Физици от САЩ успяха да заснемат отделни атоми на снимка с рекордна резолюция, съобщава Day.Az с позоваване на Vesti.ru
Учени от университета Корнел в САЩ успяха да уловят отделни атоми на снимка с рекордна резолюция под половин ангстрьом (0,39 Å). Предишните снимки имаха половината от разделителната способност - 0,98 Å.
Мощни електронни микроскопи, които могат да виждат атоми, съществуват от половин век, но тяхната разделителна способност е ограничена от дългата дължина на вълната на видимата светлина, която е по-голяма от диаметъра на среден атом.
Затова учените използват своеобразен аналог на лещите, които фокусират и увеличават изображението в електронните микроскопи – те са магнитно поле. Флуктуациите в магнитното поле обаче изкривяват резултата. За премахване на изкривяванията се използват допълнителни устройства, които коригират магнитното поле, но в същото време увеличават сложността на дизайна на електронния микроскоп.
Преди това физици от университета Корнел разработиха електронния микроскопичен пикселен детектор (EMPAD), който да замени сложна системагенератори, фокусиращи входящите електрони с една малка матрица с резолюция 128x128 пиксела, чувствителна към отделните електрони. Всеки пиксел регистрира ъгъла на отражение на електрона; Познавайки го, учените, използващи техниката на ptyicography, възстановяват характеристиките на електроните, включително координатите на точката, от която е бил освободен.
Атоми в най-висока резолюция
David A. Muller и др. Природа, 2018.
През лятото на 2018 г. физиците решиха да подобрят качеството на получените изображения до рекордна до момента резолюция. Учените фиксираха лист от 2D материал - молибденов сулфид MoS2 - върху подвижен лъч и пуснаха електронни лъчи, като завъртяха лъча под различни ъгли спрямо източника на електрони. Използвайки EMPAD и ptyicography, учените определиха разстоянията между отделните атоми на молибден и получиха изображение с рекордна разделителна способност от 0,39 Å.
„Всъщност създадохме най-малката линийка в света“, обяснява Сол Грунер (Sol Gruner), един от авторите на експеримента. В полученото изображение беше възможно да се видят серни атоми с рекордна разделителна способност от 0,39 Å. Нещо повече, дори успяхме да видим мястото, където липсва един такъв атом (обозначено със стрелка).
Серни атоми с рекордна резолюция
Трурл започна да хваща атоми, да изстъргва електрони от тях, да меси протони, така че само пръстите му да светят, приготвя протонно тесто, нарежда електрони около него и - за следващия атом; не минаха и пет минути, преди той да държеше в ръцете си кюлче чисто злато: той го подаде към муцуната си, но тя, като опита кюлчето на зъба си и кимна с глава, каза:
- И наистина злато, но не мога да гоня атоми така. Аз съм твърде голям.
- Нищо, ще ви дадем специален апарат! Трул го убеди.
Станислав Лем, Кибериада
Възможно ли е да видите атом с микроскоп, да го различите от друг атом, да проследите разрушаването или образуването на химична връзка и да видите как една молекула се превръща в друга? Да, ако не е обикновен микроскоп, а атомно-силов. И можете и не се ограничавайте до наблюдение. Живеем във време, когато атомно-силовият микроскоп е престанал да бъде просто прозорец към микросвета. Днес този инструмент може да се използва за преместване на атоми, разкъсване на химически връзки, изследване на границата на разтягане на единични молекули - и дори за изследване на човешкия геном.
Букви от ксенонови пиксели
Разглеждането на атомите не винаги е било толкова лесно. Историята на атомно-силовия микроскоп започва през 1979 г., когато Герд Карл Биниг и Хайнрих Рорер, работещи в изследователския център на IBM в Цюрих, започват да създават инструмент, който би позволил изучаване на повърхности с атомна резолюция. За да създадат такова устройство, изследователите решават да използват ефекта на тунелния преход - способността на електроните да преодоляват привидно непроницаеми бариери. Идеята беше да се определи позицията на атомите в пробата чрез измерване на силата на тунелния ток, който възниква между сканиращата сонда и изследваната повърхност.
Биниг и Рорер успяха и останаха в историята като изобретатели на сканиращия тунелен микроскоп (STM) и през 1986 г. получиха Нобелова награда за физика. Сканиращият тунелен микроскоп направи истинска революция във физиката и химията.
През 1990 г. Дон Айглер и Ерхард Швейцер, работещи в изследователския център на IBM в Калифорния, показаха, че STM може да се използва не само за наблюдение на атоми, но и за манипулиране на тях. С помощта на сондата на сканиращ тунелен микроскоп те създадоха може би най-популярното изображение, символизиращо прехода на химиците към работа с отделни атоми - те нарисуваха три букви върху никелова повърхност с 35 атома ксенон (фиг. 1).
Binnig не почива на лаврите си - в годината на получаване Нобелова наградас Кристофър Гербер и Келвин Куейт, също в Изследователския център на IBM Цюрих, той започва работа върху друго устройство за изучаване на микросвета, лишено от недостатъците, които са присъщи на STM. Факт е, че с помощта на сканиращ тунелен микроскоп беше невъзможно да се изследват диелектрични повърхности, а само проводници и полупроводници, а за да се анализират последните, трябваше да се създаде значително разреждане между тях и сондата на микроскопа. Осъзнавайки, че е по-лесно да се създаде ново устройство, отколкото да се надстрои съществуващо, Binnig, Gerber и Quait изобретяват атомно-силовия микроскоп или AFM. Принципът на действието му е коренно различен: за да се получи информация за повърхността, не се измерва силата на тока, възникваща между сондата на микроскопа и изследваната проба, а стойността на силите на привличане, които възникват между тях, тоест слаби нехимични взаимодействия - сили на Ван дер Ваалс.
Първият работещ модел на AFM беше сравнително прост. Изследователите преместиха диамантена сонда върху повърхността на пробата, свързана с гъвкав микромеханичен сензор - конзола от златно фолио (между сондата и атома възниква привличане, конзолата се огъва в зависимост от силата на привличане и деформира пиезоелектрика). Степента на огъване на конзолата се определя с помощта на пиезоелектрични сензори - по подобен начин жлебовете и ръбовете на винилова плоча се превръщат в аудиозапис. Дизайнът на микроскопа за атомна сила му позволява да открива сили на привличане до 10–18 нютона. Година след създаването на работещ прототип, изследователите успяха да получат изображение на топографията на графитната повърхност с резолюция от 2,5 ангстрьома.
През трите десетилетия, изминали оттогава, AFM е използван за изследване на почти всеки химически обект - от повърхността на керамичен материал до живи клетки и отделни молекули, както в статично, така и в динамично състояние. Атомно-силовата микроскопия се превърна в работен кон на химици и учени по материали и броят на трудовете, в които се използва този метод, непрекъснато расте (фиг. 2).
През годините изследователите са избрали условия за контактно и безконтактно изследване на обекти с помощта на атомно-силова микроскопия. Методът на контакт, описан по-горе, се основава на взаимодействието на Ван дер Ваалс между конзолата и повърхността. При работа в безконтактен режим пиезовибраторът възбужда трептенията на сондата с определена честота (най-често резонансна). Силата, действаща от повърхността, води до промяна на амплитудата и фазата на трептенията на сондата. Въпреки някои недостатъци на безконтактния метод (на първо място, чувствителността към външен шум), именно този метод изключва ефекта на сондата върху обекта, който се изследва, и следователно е по-интересен за химиците.
Жив на сонди, преследвайки връзки
Атомно-силовата микроскопия стана безконтактна през 1998 г. благодарение на работата на ученика на Binnig, Франц Йозеф Гизибъл. Именно той предложи да се използва кварцов референтен осцилатор със стабилна честота като конзола. След 11 години изследователи от лабораторията на IBM в Цюрих предприеха друга модификация на безконтактния AFM: ролята на сонда-сензор се изпълняваше не от остър диамантен кристал, а от една молекула - въглероден оксид. Това направи възможно преминаването към субатомна разделителна способност, както демонстрира Лео Грос от подразделението на IBM в Цюрих. През 2009 г. с помощта на AFM той направи видими не атоми, а химически връзки, като получи доста ясна и недвусмислено четима „картина“ за молекулата на пентацена (фиг. 3; Наука, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Убеден, че химическото свързване може да се види с AFM, Лео Грос реши да отиде по-далеч и да използва атомно-силовия микроскоп, за да измери дължините и реда на връзките - ключови параметри за разбиране на химическата структура, а оттам и свойствата на веществата.
Спомнете си, че разликата в реда на връзките показва различни електронни плътности и различни междуатомни разстояния между два атома (просто казано, двойната връзка е по-къса от единичната връзка). В етана редът на връзката въглерод-въглерод е едно, в етилена е два, а в класическата ароматна молекула, бензен, редът на връзката въглерод-въглерод е по-голям от едно, но по-малък от две и се счита за 1,5.
Определянето на реда на свързване е много по-трудно, когато се преминава от прости ароматни системи към равнинни или обемисти поликондензирани пръстенни системи. По този начин редът на връзките във фулерените, състоящи се от кондензирани пет- и шестчленни въглеродни цикли, може да приеме произволна стойност от едно до две. Същата несигурност теоретично се отнася за полицикличните ароматни съединения.
През 2012 г. Лео Грос, заедно с Фабиан Мон, показаха, че атомно-силов микроскоп с метална безконтактна сонда, модифицирана с въглероден окис, може да измерва разликите в разпределението на зарядите между атомите и междуатомните разстояния - т.е. параметрите, свързани с реда на връзките ( Наука, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
За да направят това, те изследват два типа химични връзки във фулерена - връзка въглерод-въглерод, обща за два шестчленни въглерод-съдържащи цикъла на C 60 фулерен, и връзка въглерод-въглерод, обща за пет- и шест-членни цикли. Атомно-силов микроскоп показа, че кондензацията на шестчленни пръстени води до връзка, която е по-къса и от по-висок порядък от кондензацията на C6 и C5 циклични фрагменти. Изследването на характеристиките на химичното свързване в хексабензокоронена, където още шест С6 цикъла са симетрично разположени около централния С6 цикъл, потвърди резултатите от квантово-химическото моделиране, според които редът на връзката N-N централенпръстени (на фиг. 4 буквата аз) трябва да бъде по-голяма от връзките, които обединяват този пръстен с периферни цикли (на фиг. 4, буквата й). Подобни резултати са получени и за по-сложен полицикличен ароматен въглеводород, съдържащ девет шестчленни пръстена.
Редът на връзките и междуатомните разстояния, разбира се, представляваха интерес за органичните химици, но това беше по-важно за онези, които се занимаваха с теорията на химичните връзки, прогнозирането на реактивността и изучаването на механизмите на химичните реакции. Въпреки това както химиците-синтетици, така и специалистите в изследването на структурата на природните съединения бяха изненадани: оказа се, че атомно-силовият микроскоп може да се използва за установяване на структурата на молекулите по същия начин като ЯМР или ИЧ спектроскопия. Освен това дава недвусмислен отговор на въпроси, с които тези методи не могат да се справят.
От фотографията до киното
През 2010 г. същите Лео Грос и Райнер Ебел успяха недвусмислено да установят структурата на естествено съединение - цефаландол А, изолирано от бактерия Dermacoccus abyssi(Природна химия, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Съставът на цефаландол А беше предварително определен с помощта на масспектрометрия, но анализът на ЯМР спектрите на това съединение не даде недвусмислен отговор на въпроса за неговата структура: възможни са четири варианта. Използвайки микроскоп с атомна сила, изследователите незабавно изключиха две от четирите структури и направиха правилния избор на останалите две, като сравниха резултатите, получени чрез AFM и квантово-химическо моделиране. Задачата се оказа трудна: за разлика от пентацена, фулерена и коронените, цефаландол А съдържа не само въглеродни и водородни атоми, освен това тази молекула няма равнина на симетрия (фиг. 5) - но този проблем също беше решен.
Допълнително потвърждение, че микроскопът за атомна сила може да се използва като аналитичен инструмент, дойде от групата на Оскар Кустанц, тогава в Инженерния факултет на Осака. Той показа как, използвайки AFM, да се прави разлика между атоми, които се различават един от друг много по-малко от въглерода и водорода ( Природата, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц изследва повърхността на сплав, състояща се от силиций, калай и олово с известно съдържание на всеки елемент. В резултат на множество експерименти той установи, че силата, която възниква между върха на AFM сондата и различните атоми е различна (фиг. 6). Например, най-силното взаимодействие се наблюдава при сондиране на силиций, а най-слабото взаимодействие се наблюдава при сондиране на олово.
Предполага се, че в бъдеще резултатите от атомно-силовата микроскопия за разпознаване на отделни атоми ще се обработват по същия начин, както резултатите от ЯМР – чрез сравнение на относителни стойности. Тъй като точният състав на иглата на сензора е труден за контролиране, абсолютната стойност на силата между сензора и различните повърхностни атоми зависи от експерименталните условия и марката на устройството, но съотношението на тези сили за всеки състав и форма на сензорът остава постоянен за всеки химичен елемент.
През 2013 г. се появиха първите примери за използване на AFM за получаване на изображения на отделни молекули преди и след химични реакции: създава се „фотосет“ от продуктите и междинните продукти на реакцията, които след това могат да бъдат монтирани в един вид документален филм ( Наука, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/наука.1238187).
Феликс Фишър и Майкъл Кроми от Калифорнийския университет в Бъркли нанасят сребро върху повърхността 1,2-бис[(2-етинилфенил)етинил]бензен, изобразява молекулите и нагрява повърхността, за да инициира циклизация. Половината от първоначалните молекули се превърнаха в полициклични ароматни структури, състоящи се от слети пет шестчленни и два петчленни пръстена. Друга четвърт от молекулите образуваха структури, състоящи се от четири шестчленни цикъла, свързани чрез един четиричленен цикъл и два петчленни цикъла (фиг. 7). Останалите продукти са олигомерни структури и в незначителни количества полициклични изомери.
Тези резултати два пъти изненадаха изследователите. Първо, по време на реакцията се образуват само два основни продукта. Второ, тяхната структура предизвика изненада. Фишър отбелязва, че химическата интуиция и опитът са позволили да се начертаят десетки възможни реакционни продукти, но нито един от тях не съответства на съединенията, образувани на повърхността. Възможно е взаимодействието на изходните вещества със субстрата да е допринесло за възникването на нетипични химични процеси.
Естествено, след първите сериозни успехи в изучаването на химичните връзки, някои изследователи решиха да използват АСМ, за да наблюдават по-слаби и по-слабо проучени междумолекулни взаимодействия, по-специално водородни връзки. Работата в тази област обаче тепърва започва и резултатите от нея са противоречиви. И така, в някои публикации се съобщава, че атомно-силовата микроскопия е направила възможно наблюдението на водородната връзка ( Наука, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), в други те твърдят, че това са просто артефакти, дължащи се на конструктивните характеристики на устройството, и експерименталните резултати трябва да се интерпретират по-внимателно ( Писма за физически преглед, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). Може би окончателният отговор на въпроса дали е възможно да се наблюдават водород и други междумолекулни взаимодействия с помощта на атомно-силова микроскопия ще бъде получен още през това десетилетие. За да направите това, е необходимо да увеличите AFM резолюцията поне няколко пъти и да научите как да получавате изображения без шум ( Физически преглед B, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).
Синтез на една молекула
В умели ръце и STM, и AFM се трансформират от инструменти, способни да изучават материята, в инструменти, способни насочено да променят структурата на материята. С помощта на тези устройства вече е възможно да се получат "най-малките химически лаборатории", в които вместо колба се използва субстрат, а вместо молове или милимоли реагенти се използват отделни молекули.
Например през 2016 г. международен екип от учени, ръководен от Такаши Кумагаи, използва безконтактна атомно-силова микроскопия, за да прехвърли молекулата на порфицена от една от нейните форми в друга ( Природна химия, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфиценът може да се разглежда като модификация на порфирина, чийто вътрешен цикъл съдържа четири азотни атома и два водородни атома. Вибрациите на AFM сондата прехвърлиха достатъчно енергия към молекулата на порфицена, за да прехвърлят тези водороди от един азотен атом към друг, и в резултат на това се получи „огледално отражение“ на тази молекула (фиг. 8).
Групата, ръководена от неуморимия Лео Грос, също показа, че е възможно да се инициира реакцията на една единствена молекула - те превърнаха дибромоантрацена в десетчленен цикличен диин (фиг. 9; Природна химия, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). За разлика от Kumagai et al., те използваха сканиращ тунелен микроскоп, за да активират молекулата, а резултатът от реакцията беше наблюдаван с помощта на атомно-силов микроскоп.
Комбинираното използване на сканиращ тунелен микроскоп и микроскоп за атомна сила дори направи възможно получаването на молекула, която не може да бъде синтезирана с помощта на класически техники и методи ( Природни нанотехнологии, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Този триангулен е нестабилен ароматен дирадикал, чието съществуване беше предсказано преди шест десетилетия, но всички опити за синтез бяха неуспешни (фиг. 10). Химиците от групата на Нико Павличек получиха желаното съединение чрез премахване на два водородни атома от неговия прекурсор с помощта на STM и потвърждаване на синтетичния резултат с помощта на AFM.
Предполага се, че броят на трудовете, посветени на приложението на атомно-силовата микроскопия в органичната химия, ще продължи да расте. В момента все повече и повече учени се опитват да повторят на повърхността на реакцията, добре познатата "химия на разтвора". Но може би синтетичните химици ще започнат да възпроизвеждат в разтвор тези реакции, които първоначално са били извършени на повърхността с помощта на AFM.
От неживо към живо
Конзолите и сондите на атомно-силовите микроскопи могат да се използват не само за аналитични изследвания или синтез на екзотични молекули, но и за решаване на приложни проблеми. Вече са известни случаи на използване на АСМ в медицината, например за ранна диагностика на рак, и тук пионерът е същият Кристофър Гербер, който има пръст в разработването на принципа на атомно-силовата микроскопия и създаването на АСМ.
Така Гербер успя да научи AFM да определя точковата мутация на рибонуклеиновата киселина в меланома (върху материала, получен в резултат на биопсия). За да се направи това, златната конзола на микроскоп с атомна сила беше модифицирана с олигонуклеотиди, които могат да влязат в междумолекулно взаимодействие с РНК и силата на това взаимодействие все още може да бъде измерена поради пиезоелектричния ефект. Чувствителността на AFM сензора е толкова висока, че вече се използва за изследване на ефективността на популярния метод за редактиране на геном CRISPR-Cas9. Той обединява технологии, създадени от различни поколения изследователи.
Перифразирайки класиката на една от политическите теории, можем да кажем, че вече виждаме неограничените възможности и неизчерпаемостта на атомно-силовата микроскопия и трудно можем да си представим какво предстои във връзка с по-нататъшното развитие на тези технологии. Но дори и днес сканиращият тунелен микроскоп и атомно-силовият микроскоп ни дават възможност да видим атоми и да ги докоснем. Можем да кажем, че това не е само продължение на нашите очи, което ни позволява да погледнем в микрокосмоса на атомите и молекулите, но и нови очи, нови пръсти, които могат да докоснат този микрокосмос и да го контролират.
