Учените за първи път видяха атома "на живо" - ​​снимка. Атоми Възможно ли е да се снима атом

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 C-C връзкицентрален пръстен (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 тези, 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 по изследване 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, както ЯМР или ИЧ-спектроскопията. 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.

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

На тази снимка гледате първото директно изображение на орбитите на електрон около атом - всъщност вълновата функция на атом!

За да заснемат снимка на орбиталната структура на водороден атом, изследователите са използвали най-новия квантов микроскоп, невероятно устройство, което позволява на учените да надникнат в царството на квантовата физика.

Орбиталната структура на пространството в атома е заета от електрон. Но при описанието на тези микроскопични свойства на материята учените разчитат на вълнови функции, математически начини за описване на квантовите състояния на частиците, а именно как се държат в пространството и времето.

По правило формули като уравнението на Шрьодингер се използват в квантовата физика за описание на състоянията на частиците.

Препятствия по пътя на изследователите

Досега учените никога не са наблюдавали вълновата функция. Да се ​​опитваш да уловиш точната позиция или инерция на един самотен електрон беше като да се опитваш да хванеш рояк мухи. Преките наблюдения бяха изкривени от много неприятен феномен - квантовата кохерентност.

За да измерите всички квантови състояния, имате нужда от инструмент, който може да направи много измервания на състоянията на една частица във времето.

Но как да увеличим вече микроскопичното състояние на една квантова частица? Отговорът е открит от група международни изследователи. С квантов микроскоп, устройство, което използва фотойонизация за директно наблюдение на атомни структури.

В статията си в популярното списание Physical Review Letters, Анета Стодолна от Института по молекулярна физика (AMOLF) в Холандия обяснява как тя и нейният екип са получили възловите електронни орбитални структури на водороден атом, поставен в статично електрическо поле.

Метод на работа

След облъчване с лазерни импулси йонизираните електрони напускат орбитите си и по измерената траектория попадат в 2D детектор (двойна микроканална плоча. Детекторът е разположен перпендикулярно на самото поле). Има много траектории, по които електроните могат да пътуват, преди да се сблъскат с детектора. Това предоставя на изследователите набор от интерферентни модели, модели, които отразяват възловата структура на вълновата функция.
Изследователите са използвали електростатична леща, която увеличава изходящата вълна от електрони с повече от 20 000 пъти.

Водороден атом, улавящ електронни облаци. И въпреки че съвременните физици дори могат да определят формата на протон с помощта на ускорители, водородният атом очевидно ще остане най-малкият обект, чието изображение има смисъл да се нарича снимка. "Лента.ру" представя преглед на съвременните методи за фотографиране на микросвета.

Строго погледнато, в наши дни почти не е останала обикновена фотография. Изображенията, които обичайно наричаме снимки и могат да бъдат намерени например във всяко фото есе на Lenta.ru, всъщност са компютърни модели. Фоточувствителна матрица в специално устройство (традиционно все още се нарича "камера") определя пространственото разпределение на интензитета на светлината в няколко различни спектрални диапазона, управляващата електроника съхранява тези данни в цифров вид и след това друга електронна схема, базирана на това данни, дава команда на транзисторите в течнокристалния дисплей. Филм, хартия, специални решения за тяхната обработка - всичко това се превърна в екзотика. И ако си спомним буквалното значение на думата, тогава фотографията е „светлинна живопис“. Така че какво да кажем, че учените са успели да снимаматом, е възможно само с доста условност.

Повече от половината от всички астрономически изображения отдавна са направени от инфрачервени, ултравиолетови и рентгенови телескопи. Електронните микроскопи облъчват не със светлина, а с електронен лъч, докато атомно-силовите микроскопи сканират релефа на пробата с игла. Има рентгенови микроскопи и скенери с магнитен резонанс. Всички тези устройства ни дават точни изображения на различни обекти и въпреки факта, че тук, разбира се, не е необходимо да говорим за "светлинна живопис", ние все пак си позволяваме да наричаме такива изображения снимки.

Експериментите на физици за определяне на формата на протона или разпределението на кварките вътре в частиците ще останат зад кулисите; нашата история ще бъде ограничена до мащаба на атомите.

Оптиката никога не остарява

Както се оказа през втората половина на 20 век, оптичните микроскопи все още имат какво да се развиват. Решаващ момент в биологичните и медицински изследвания беше появата на флуоресцентни багрила и методи, които позволяват селективно маркиране на определени вещества. Това не беше "просто нова боя", това беше истинска революция.

Противно на общоприетото погрешно схващане, флуоресценцията изобщо не е светене в тъмното (последното се нарича луминесценция). Това е феноменът на абсорбиране на кванти с определена енергия (да речем синя светлина), последвано от излъчване на други кванти с по-ниска енергия и съответно различна светлина (когато се абсорбира синьо, ще се излъчва зелено). Ако поставите филтър, който пропуска само квантите, излъчвани от багрилото, и блокира светлината, която причинява флуоресценция, можете да видите тъмен фон с ярки петна от багрила, а багрилата от своя страна могат да оцветят пробата изключително селективно .

Например, можете да оцветите цитоскелета нервна клеткав червено, синапсите в зелено и ядрото в синьо. Можете да направите флуоресцентен етикет, който ще ви позволи да откриете протеинови рецептори на мембраната или молекули, синтезирани от клетката при определени условия. Методът на имунохистохимичното оцветяване революционизира биологичната наука. И когато генните инженери се научиха как да правят трансгенни животни с флуоресцентни протеини, този метод преживя прераждане: например мишки с неврони, боядисани в различни цветове, станаха реалност.

Освен това инженерите измислиха (и практикуваха) метод на така наречената конфокална микроскопия. Същността му се състои в това, че микроскопът фокусира върху много тънък слой, а специална диафрагма прекъсва светлината, създадена от обекти извън този слой. Такъв микроскоп може последователно да сканира проба отгоре надолу и да получи купчина изображения, което е готова основа за триизмерен модел.

Използването на лазери и сложни системи за контрол на оптичния лъч направи възможно решаването на проблема с избледняването на багрилото и изсъхването на деликатни биологични проби при ярка светлина: лазерният лъч сканира пробата само когато е необходимо за изобразяване. И за да не губите време и усилия за изследване на голям препарат през окуляр с тясно зрително поле, инженерите предложиха система за автоматично сканиране: можете да поставите стъкло с проба върху предметната сцена на модерен микроскоп и устройството самостоятелно ще заснеме широкомащабна панорама на цялата проба. В същото време, на правилните места, той ще фокусира и след това ще залепи много кадри заедно.

Някои микроскопи могат да приемат живи мишки, плъхове или поне малки безгръбначни. Други дават леко увеличение, но са комбинирани с рентгенов апарат. За да се елиминират вибрационните смущения, много от тях са монтирани на специални маси с тегло няколко тона на закрито с внимателно контролиран микроклимат. Цената на такива системи надвишава цената на други електронни микроскопи, а състезанията за най-красива рамка отдавна са се превърнали в традиция. Освен това подобряването на оптиката продължава: от търсенето на най-добрите видове стъкла и избора на оптимални комбинации от лещи, инженерите преминаха към начини за фокусиране на светлината.

Ние специално изброихме редица технически подробности, за да покажем, че напредъкът в биологичните изследвания отдавна е свързан с напредъка в други области. Ако нямаше компютри, способни автоматично да преброят броя на оцветените клетки в няколкостотин снимки, супермикроскопите нямаше да са много полезни. А без флуоресцентни багрила всички милиони клетки биха били неразличими една от друга, така че би било почти невъзможно да се проследи образуването на нови или смъртта на старите.

Всъщност първият микроскоп представлява скоба със сферична леща, прикрепена към нея. Аналог на такъв микроскоп може да бъде обикновена карта за игра с дупка, направена в нея и капка вода. Според някои доклади такива устройства са били използвани от златни миньори в Колима още през миналия век.

Отвъд границата на дифракция

Оптичните микроскопи имат основен недостатък. Факт е, че е невъзможно да се възстанови формата на онези обекти, които се оказаха много по-малки от дължината на вълната от формата на светлинни вълни: можете също така да опитате да изследвате фината текстура на материала с ръка в дебела ръкавица за заваряване.

Ограниченията, създадени от дифракцията, са частично преодолени и без да се нарушават законите на физиката. Две обстоятелства помагат на оптичните микроскопи да се гмурнат под дифракционната бариера: фактът, че по време на флуоресценция квантите се излъчват от отделни молекули на багрилото (които могат да бъдат доста далеч една от друга) и фактът, че чрез наслагване на светлинни вълни е възможно да се получи ярка светлина петно ​​с диаметър по-малък от дължината на вълната.

Когато се наслагват една върху друга, светлинните вълни могат да се компенсират взаимно, поради което параметрите на осветяване на пробата са такива, че възможно най-малката област попада в светлата област. В комбинация с математически алгоритми, които могат, например, да премахнат призрачните изображения, такова насочено осветление осигурява драстично подобрение в качеството на изображението. Става възможно например да се изследват вътреклетъчни структури с оптичен микроскоп и дори (комбинирайки описания метод с конфокална микроскопия) да се получат техните триизмерни изображения.

Електронен микроскоп преди електронни инструменти

За да открият атоми и молекули, учените не трябваше да ги гледат - молекулярната теория не трябваше да вижда обекта. Но микробиологията стана възможна едва след изобретяването на микроскопа. Следователно в началото микроскопите се свързват точно с медицината и биологията: физици и химици, които изучават много по-малки обекти, управлявани с други средства. Когато те също искаха да разгледат микрокосмоса, ограниченията на дифракцията се превърнаха в сериозен проблем, особено след като описаните по-горе методи на флуоресцентна микроскопия бяха все още неизвестни. И няма смисъл да се увеличава разделителната способност от 500 на 100 нанометра, ако обектът, който ще се разглежда, е още по-малък!

Знаейки, че електроните могат да се държат както като вълна, така и като частица, физиците от Германия създават електронна леща през 1926 г. Идеята, залегнала в основата му, беше много проста и разбираема за всеки ученик: тъй като електромагнитното поле отклонява електроните, тогава с негова помощ можете да промените формата на лъча на тези частици, като ги завлечете в различни страни, или, обратно, намалете диаметъра на лъча. Пет години по-късно, през 1931 г., Ернст Руска и Макс Нол създават първия в света електронен микроскоп. В устройството пробата първо беше осветена от електронен лъч, а след това електронната леща разшири лъча, който премина, преди да попадне върху специален луминисцентен екран. Първият микроскоп даде увеличение само 400 пъти, но замяната на светлината с електрони отвори пътя за фотографиране с увеличение стотици хиляди пъти: дизайнерите трябваше да преодолеят само няколко технически пречки.

Електронният микроскоп направи възможно изследването на структурата на клетките в качество, което преди беше недостижимо. Но от тази снимка е невъзможно да се разбере възрастта на клетките и наличието на определени протеини в тях, а тази информация е много необходима на учените.

Електронните микроскопи вече позволяват снимки на вируси в близък план. Има различни модификации на устройства, които позволяват не само да светят през тънки секции, но и да ги разглеждат в "отразена светлина" (в отразени електрони, разбира се). Няма да говорим подробно за всички опции за микроскопи, но отбелязваме, че наскоро изследователите са се научили как да възстановят изображение от дифракционен модел.

Докосвай, не виждай

Друга революция дойде за сметка на по-нататъшно отклонение от принципа „освети и виж“. Атомно-силовият микроскоп, както и сканиращият тунелен микроскоп вече не осветяват повърхността на пробите. Вместо това по повърхността се движи особено тънка игла, която буквално подскача дори върху неравности с размер на един атом.

Без да навлизаме в подробностите на всички подобни методи, отбелязваме основното: иглата на тунелен микроскоп може не само да се движи по повърхността, но и да се използва за пренареждане на атоми от място на място. Така учените създават надписи, рисунки и дори карикатури, в които нарисувано момче си играе с атом. Истински ксенонов атом, влачен от върха на сканиращ тунелен микроскоп.

Нарича се тунелен микроскоп, защото използва ефекта на тунелния ток, протичащ през иглата: електроните преминават през пролуката между иглата и повърхността поради тунелния ефект, предвиден от квантовата механика. Това устройство изисква вакуум, за да работи.

Атомно-силовият микроскоп (AFM) е много по-малко взискателен към условията на околната среда - той може (с редица ограничения) да работи без изпомпване на въздух. В известен смисъл AFM е нанотехнологичният наследник на грамофона. Игла, монтирана на тънка и гъвкава конзолна скоба ( конзолаи има „скоба“), се движи по повърхността, без да прилага напрежение към нея и следва релефа на образеца по същия начин, както грамофонната игла следва жлебовете на грамофонна плоча. Огъването на конзолата води до отклонение на огледалото, фиксирано върху него, огледалото отклонява лазерния лъч и това дава възможност много точно да се определи формата на изследваната проба. Основното нещо е да имате доста точна система за движение на иглата, както и запас от игли, които трябва да са идеално остри. Радиусът на кривината на върховете на такива игли не може да надвишава един нанометър.

AFM ви позволява да видите отделни атоми и молекули, но подобно на тунелен микроскоп не ви позволява да погледнете под повърхността на пробата. С други думи, учените трябва да избират между възможността да видят атоми и възможността да изучават целия обект. Въпреки това, дори за оптични микроскопи, вътрешностите на изследваните проби не винаги са достъпни, тъй като минералите или металите обикновено пропускат светлина слабо. Освен това все още има трудности при фотографирането на атоми - тези обекти изглеждат като прости топки, формата на електронни облаци не се вижда на такива изображения.

Синхротронното лъчение, което възниква по време на забавянето на заредени частици, разпръснати от ускорители, дава възможност за изследване на вкаменени останки от праисторически животни. Завъртане на пробата под рентгенови лъчи, можем да получим триизмерни томограми - така например е открит мозъкът в черепа на риба, изчезнала преди 300 милиона години. Можете да направите без въртене, ако регистрацията на предаваното лъчение е чрез фиксиране на рентгеновите лъчи, разпръснати поради дифракция.

И това не са всички възможности, които рентгеновите лъчи отварят. Когато се облъчват с него, много материали флуоресцират, а химичният състав на веществото може да се определи от естеството на флуоресценцията: по този начин учените оцветяват древните артефакти, произведенията на Архимед, изтрити през Средновековието, или цвета на перата на отдавна изчезнали птици.

Позиращи атоми

На фона на всички възможности, предоставени от рентгенови или оптични флуоресцентни методи, нов начин за фотографиране на отделни атоми вече не изглежда като толкова голям пробив в науката. Същността на метода, който направи възможно получаването на изображенията, представени тази седмица, е следната: електроните се изтръгват от йонизирани атоми и се изпращат към специален детектор. Всеки акт на йонизация отнема електрон от определена позиция и дава една точка на "снимката". След като натрупаха няколко хиляди такива точки, учените формираха картина, показваща най-вероятните места за намиране на електрон около ядрото на атома, а това по дефиниция е електронен облак.

В заключение нека кажем, че способността да се виждат отделни атоми с техните електронни облаци е по-скоро като черешка на тортата на съвременната микроскопия. За учените беше важно да изучават структурата на материалите, да изучават клетки и кристали, а развитието на технологиите, произтичащи от това, направи възможно достигането до водородния атом. Всичко по-малко вече е сферата на интересите на специалистите по физика на елементарните частици. И биолозите, учените по материали и геолозите все още имат място да подобрят микроскопите дори с доста скромно увеличение в сравнение с атомите. Експерти по неврофизиология, например, отдавна искат да имат устройство, което може да види отделни клетки в живия мозък, а създателите на роувъри биха продали душите си за електронен микроскоп, който да се побере на борда на космически кораб и да работи на Марс.

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.