Jak víte, všechno hmotné ve vesmíru se skládá z atomů. Atom je nejmenší jednotka hmoty, která nese jeho vlastnosti. Struktura atomu je zase tvořena magickou trojicí mikročástic: protony, neutrony a elektrony.
Navíc je každá z mikročástic univerzální. To znamená, že na světě nemůžete najít dva různé protony, neutrony nebo elektrony. Všechny jsou si navzájem naprosto podobné. A vlastnosti atomu budou záviset pouze na kvantitativním složení těchto mikročástic v obecné struktuře atomu.
Například struktura atomu vodíku se skládá z jednoho protonu a jednoho elektronu. Další ve složitosti, atom helia se skládá ze dvou protonů, dvou neutronů a dvou elektronů. Atom lithia se skládá ze tří protonů, čtyř neutronů a tří elektronů atd.
Struktura atomů (zleva doprava): vodík, helium, lithium
Atomy se spojují do molekul a molekuly se spojují do látek, minerálů a organismů. Molekula DNA, která je základem veškerého života, je struktura sestavená ze stejných tří magických stavebních kamenů vesmíru jako kámen ležící na cestě. I když tato struktura je mnohem složitější.
Ještě úžasnější fakta odhalíme, když se pokusíme blíže podívat na proporce a strukturu atomového systému. Je známo, že atom se skládá z jádra a elektronů pohybujících se kolem něj po trajektorii, která popisuje kouli. To znamená, že to ani nelze nazvat hnutím v obvyklém slova smyslu. Elektron se spíše nachází všude a bezprostředně v této kouli, vytváří elektronový mrak kolem jádra a tvoří elektromagnetické pole.
Schematické znázornění struktury atomu
Jádro atomu se skládá z protonů a neutronů a je v něm soustředěna téměř celá hmota systému. Ale zároveň je samotné jádro tak malé, že pokud jeho poloměr zvětšíte na měřítko 1 cm, pak poloměr celé struktury atomu dosáhne stovek metrů. Vše, co vnímáme jako hustou hmotu, se tedy skládá z více než 99 % energetických spojení mezi samotnými fyzickými částicemi a méně než 1 % samotných fyzických forem.
Ale jaké jsou tyto fyzické formy? Z čeho jsou vyrobeny a z jakého jsou materiálu? Abychom na tyto otázky odpověděli, podívejme se blíže na struktury protonů, neutronů a elektronů. Sestupujeme tedy ještě o jeden krok do hlubin mikrokosmu – na úroveň subatomárních částic.
Z čeho se skládá elektron?
Nejmenší částicí atomu je elektron. Elektron má hmotnost, ale žádný objem. Ve vědeckém pohledu se elektron neskládá z ničeho, ale je to bod bez struktury.
Elektron není vidět pod mikroskopem. Je pozorován pouze ve formě elektronového mraku, který vypadá jako rozmazaná koule kolem atomového jádra. Zároveň nelze s přesností říci, kde se elektron v daném okamžiku nachází. Zařízení jsou schopna zachytit nikoli samotnou částici, ale pouze její energetickou stopu. Podstata elektronu není zakotvena v pojmu hmoty. Je to spíše jako prázdná forma, která existuje pouze v pohybu a jeho prostřednictvím.
V elektronu nebyla dosud nalezena žádná struktura. Je to stejná bodová částice jako kvantum energie. Elektron je ve skutečnosti energie, ale je to jeho stabilnější forma než ta, kterou představují fotony světla.
V tuto chvíli je elektron považován za nedělitelný. Je to pochopitelné, protože není možné dělit něco, co nemá objem. Nicméně již existuje vývoj v teorii, podle které složení elektronu obsahuje trojici takových kvazičástic, jako jsou:
- Orbiton - obsahuje informace o orbitální poloze elektronu;
- Spinon - zodpovědný za rotaci nebo točivý moment;
- Holon - nese informaci o náboji elektronu.
Jak však vidíme, kvazičástice nemají s hmotou absolutně nic společného a nesou pouze informaci.
Fotografie atomů různých látek v elektronovém mikroskopu
Zajímavé je, že elektron může absorbovat kvanta energie, jako je světlo nebo teplo. V tomto případě se atom přesune na novou energetickou úroveň a hranice elektronového mraku se rozšíří. Stává se také, že energie absorbovaná elektronem je tak velká, že může vyskočit z atomového systému a pokračovat ve svém pohybu jako samostatná částice. Zároveň se chová jako foton světla, to znamená, že jakoby přestává být částicí a začíná vykazovat vlastnosti vlny. To bylo prokázáno v experimentu.
Youngův experiment
V průběhu experimentu byl proud elektronů nasměrován na stínítko se dvěma vyříznutými štěrbinami. Při průchodu těmito štěrbinami se elektrony srazily s povrchem dalšího projekčního plátna a zanechaly na něm svou stopu. V důsledku tohoto „bombardování“ elektrony se na projekční ploše objevil interferenční obrazec, podobný tomu, který by se objevil, kdyby dvěma štěrbinami procházely vlny, nikoli částice.
K takovému vzoru dochází v důsledku skutečnosti, že vlna procházející mezi dvěma štěrbinami je rozdělena na dvě vlny. V důsledku dalšího pohybu se vlny vzájemně překrývají a v některých oblastech se navzájem ruší. Výsledkem je, že na projekční ploše dostaneme mnoho pruhů místo jednoho, jak by tomu bylo, kdyby se elektron choval jako částice.
Struktura jádra atomu: protony a neutrony
Protony a neutrony tvoří jádro atomu. A přestože v celkovém objemu jádro zabírá méně než 1 %, právě v této struktuře je soustředěna téměř celá hmota systému. Ale na úkor struktury protonů a neutronů jsou fyzici názorově rozděleni a v tuto chvíli existují dvě teorie najednou.
- Teorie #1 - Standard
Standardní model říká, že protony a neutrony se skládají ze tří kvarků spojených oblakem gluonů. Kvarky jsou bodové částice, stejně jako kvanta a elektrony. A gluony jsou virtuální částice, které zajišťují interakci kvarků. V přírodě však nebyly nalezeny kvarky ani gluony, takže tento model je předmětem tvrdé kritiky.
- Teorie #2 - Alternativa
Ale podle alternativní teorie sjednoceného pole vyvinuté Einsteinem je proton, stejně jako neutron, jako každá jiná částice fyzického světa elektromagnetické pole rotující rychlostí světla.
Elektromagnetická pole člověka a planety
Jaké jsou principy struktury atomu?
Vše na světě – jemné i husté, kapalné, pevné i plynné – jsou jen energetické stavy bezpočtu polí, která prostupují prostorem Vesmíru. Čím vyšší je hladina energie v poli, tím je tenčí a méně vnímatelný. Čím nižší je hladina energie, tím je stabilnější a hmatatelnější. Ve struktuře atomu, stejně jako ve struktuře jakékoli jiné jednotky Vesmíru, spočívá interakce takových polí - lišících se hustotou energie. Ukazuje se, že hmota je pouze iluzí mysli.
Atom (z řeckého „nedělitelný“) je kdysi nejmenší částice hmoty mikroskopických rozměrů, nejmenší část chemického prvku, která nese jeho vlastnosti. Složky atomu – protony, neutrony, elektrony – již tyto vlastnosti nemají a tvoří je společně. Kovalentní atomy tvoří molekuly. Vědci studují vlastnosti atomu, a přestože jsou již docela dobře prostudováni, nenechají si ujít příležitost najít něco nového - zejména v oblasti vytváření nových materiálů a nových atomů (pokračování periodické tabulky). 99,9 % hmotnosti atomu je v jádře.
Nenechte se zastrašit názvem. Ukázalo se, že černá díra, kterou náhodně vytvořili pracovníci National Accelerator Laboratory SLAC, má velikost pouze jednoho atomu, takže nás nic neohrožuje. A název „černá díra“ jen vzdáleně popisuje jev pozorovaný výzkumníky. Opakovaně jsme vám říkali o nejvýkonnějším rentgenovém laseru na světě, tzv
Fotografování samotného atomu, a ne jakékoli jeho části, však bylo extrémně obtížným úkolem, a to i s těmi nejmodernějšími zařízeními.
Faktem je, že podle zákonů kvantové mechaniky není možné stejně přesně určit všechny vlastnosti subatomární částice. Tato část teoretické fyziky je postavena na Heisenbergově principu neurčitosti, který říká, že je nemožné měřit souřadnice a hybnost částice se stejnou přesností – přesná měření jedné vlastnosti jistě změní údaje o druhé.
Kvantová teorie proto namísto určování polohy (souřadnic částic) navrhuje měřit tzv. vlnovou funkci.
Vlnová funkce funguje velmi podobně jako zvuková vlna. Jediný rozdíl je v tom, že matematický popis zvukové vlny určuje pohyb molekul ve vzduchu na určitém místě a vlnová funkce popisuje pravděpodobnost výskytu částice na tom či onom místě podle Schrödingerovy rovnice.
Měření vlnové funkce také není jednoduché (přímá pozorování způsobí její kolaps), ale teoretičtí fyzici mohou její hodnoty zhruba předpovědět.
Experimentálně je možné měřit všechny parametry vlnové funkce pouze tehdy, pokud jsou shromážděny ze samostatných destruktivních měření prováděných na zcela identických systémech atomů nebo molekul.
Fyzici z nizozemského výzkumného institutu AMOLF představili novou metodu, která nevyžaduje žádnou „přestavbu“ a výsledky své práce publikovali v časopise Physical Review Letters. Jejich metodologie je založena na hypotéze tří sovětských teoretických fyziků z roku 1981 a také na novějším výzkumu.
Během experimentu tým vědců nasměroval dva laserové paprsky na atomy vodíku umístěné ve speciální komoře. V důsledku takového dopadu elektrony opustily své oběžné dráhy rychlostí a směrem, které byly určeny jejich vlnovými funkcemi. Silné elektrické pole v komoře, kde se nacházely atomy vodíku, poslalo elektrony do určitých částí planárního (plochého) detektoru.
Poloha elektronů dopadajících na detektor byla určena jejich počáteční rychlostí, nikoli jejich polohou v komoře. Rozložení elektronů na detektoru tedy vědcům napovědělo o vlnové funkci těchto částic, kterou měly, když opustily oběžnou dráhu kolem jádra atomu vodíku.
Pohyby elektronů se zobrazovaly na fosforeskující obrazovce v podobě tmavých a světlých prstenců, které vědci vyfotografovali digitálním fotoaparátem s vysokým rozlišením.
"S našimi výsledky jsme velmi spokojeni. Kvantová mechanika má s každodenním životem lidí tak málo společného, že by sotva někoho napadlo získat skutečnou fotografii kvantových interakcí v atomu," říká Aneta Stodolna, hlavní autorka studie. Tvrdí také, že vyvinutá technika může mít i praktické aplikace, například vytvořit vodiče o tloušťce atomu, vyvinout technologii molekulárních drátů, což výrazně zlepší moderní elektronická zařízení.
"Je pozoruhodné, že experiment byl proveden s vodíkem, což je nejjednodušší a nejběžnější látka v našem vesmíru. Bude nutné pochopit, zda lze tuto techniku použít na složitější atomy. Pokud ano, pak se jedná o velký průlom, který nám umožní vyvinout nejen elektroniku, ale také nanotechnologie,“ říká Jeff Lundeen z University of Ottawa, který se na studii nepodílel.
Samotní vědci, kteří experiment prováděli, však o praktické stránce problému nepřemýšlí. Věří, že jejich objev se týká především fundamentální vědy, která pomůže přenést více znalostí na budoucí generace fyziků.
Fyzikům ze Spojených států se podařilo zachytit jednotlivé atomy na fotografii s rekordním rozlišením, uvádí Day.Az s odkazem na Vesti.ru
Vědcům z Cornell University ve Spojených státech se podařilo zachytit jednotlivé atomy na fotografii s rekordním rozlišením menším než půl angstromu (0,39 Å). Předchozí fotografie měly poloviční rozlišení – 0,98 Å.
Výkonné elektronové mikroskopy, které dokážou vidět atomy, existují už půl století, ale jejich rozlišení je omezeno dlouhou vlnovou délkou viditelného světla, která je větší než průměr průměrného atomu.
Vědci proto používají jakousi obdobu čoček, které zaostřují a zvětšují obraz v elektronových mikroskopech – jsou to magnetické pole. Kolísání magnetického pole však výsledek zkresluje. K odstranění zkreslení se používají přídavná zařízení, která korigují magnetické pole, ale zároveň zvyšují složitost konstrukce elektronového mikroskopu.
Fyzici na Cornellově univerzitě dříve vyvinuli detektor elektronového mikroskopu Pixel Array Detector (EMPAD), který nahrazuje složitý systém generátorů, které zaostřují přicházející elektrony jediným malým polem 128x128 pixelů, které je citlivé na jednotlivé elektrony. Každý pixel registruje úhel odrazu elektronů; Vědci, kteří to vědí, pomocí techniky ptyikografie rekonstruují charakteristiky elektronů, včetně souřadnic bodu, ze kterého byly uvolněny.
Atomy v nejvyšším rozlišení
David A. Muller a kol. Příroda, 2018.
V létě 2018 se fyzici rozhodli vylepšit kvalitu výsledných snímků na dosud rekordní rozlišení. Vědci připevnili list 2D materiálu - sulfidu molybdenu MoS2 - na pohyblivý paprsek a uvolnili elektronové paprsky otočením paprsku pod různými úhly ke zdroji elektronů. Pomocí EMPAD a ptyikografie vědci určili vzdálenosti mezi jednotlivými atomy molybdenu a získali snímek s rozlišením záznamu 0,39 Å.
„Ve skutečnosti jsme vytvořili nejmenší pravítko na světě,“ vysvětluje Sol Gruner (Sol Gruner), jeden z autorů experimentu. Na výsledném snímku bylo možné vidět atomy síry s rekordním rozlišením 0,39 Å. Navíc se nám podařilo vidět i místo, kde jeden takový atom chybí (označeno šipkou).
Atomy síry v rekordním rozlišení
Trurl začal chytat atomy, seškrabávat z nich elektrony, hnět protony tak, že se mu blýskaly jen prsty, připravil protonové těsto, kolem něj rozložil elektrony a - pro další atom; Neuplynulo ani pět minut, než držel v rukou cihlu z ryzího zlata: podal si ji do tlamy, ale ona, když ochutnala tyčinku na zubu a kývla hlavou, řekla:
- A skutečně zlato, ale takhle atomy honit nemůžu. Jsem moc velký.
- Nic, dáme vám speciální zařízení! Trurl ho přesvědčil.
Stanislav Lem, Kyberiáda
Je možné vidět atom mikroskopem, odlišit jej od jiného atomu, sledovat destrukci nebo tvorbu chemické vazby a vidět, jak se jedna molekula mění v druhou? Ano, pokud to není prostý mikroskop, ale atomový silový. A můžete a nemusíte být omezeni na pozorování. Žijeme v době, kdy mikroskop atomových sil přestal být jen oknem do mikrosvěta. Dnes lze tento nástroj použít k přesunu atomů, rozbití chemických vazeb, ke studiu meze roztažení jednotlivých molekul – a dokonce i ke studiu lidského genomu.
Písmena z xenonových pixelů
Zvažování atomů nebylo vždy tak snadné. Historie mikroskopu atomárních sil začala v roce 1979, kdy Gerd Karl Binnig a Heinrich Rohrer, pracující ve výzkumném středisku IBM v Curychu, začali vytvářet přístroj, který by umožňoval studovat povrchy s atomárním rozlišením. K vymyšlení takového zařízení se vědci rozhodli využít efekt tunelového přechodu – schopnost elektronů překonávat zdánlivě neprostupné bariéry. Cílem bylo určit polohu atomů ve vzorku měřením síly tunelovacího proudu, který se vyskytuje mezi skenovací sondou a studovaným povrchem.
Binnig a Rohrer uspěli a do historie se zapsali jako vynálezci rastrovacího tunelového mikroskopu (STM) a v roce 1986 obdrželi Nobelovu cenu za fyziku. Rastrovací tunelový mikroskop udělal skutečnou revoluci ve fyzice a chemii.
V roce 1990 Don Eigler a Erhard Schweitzer, pracující v IBM Research Center v Kalifornii, ukázali, že STM lze použít nejen k pozorování atomů, ale také k manipulaci s nimi. Pomocí sondy rastrovacího tunelového mikroskopu vytvořili snad nejoblíbenější obrázek, symbolizující přechod chemiků k práci s jednotlivými atomy – na niklový povrch s 35 atomy xenonu namalovali tři písmena (obr. 1).
Binnig neusnul na vavřínech - v roce převzetí Nobelovy ceny spolu s Christopherem Gerberem a Calvinem Quaytem, který rovněž pracoval v IBM Zurich Research Center, začal pracovat na dalším zařízení pro studium mikrosvěta, postrádajícího nedostatky které jsou vlastní STM. Faktem je, že pomocí rastrovacího tunelového mikroskopu nebylo možné studovat dielektrické povrchy, ale pouze vodiče a polovodiče, a aby bylo možné analyzovat polovodiče, muselo mezi nimi a mikroskopovou sondou vzniknout výrazná redukce. Binnig, Gerber a Quait si uvědomili, že je snazší vytvořit nové zařízení než upgradovat stávající, vynalezli mikroskop atomové síly neboli AFM. Princip jeho fungování je radikálně odlišný: pro získání informací o povrchu se neměří síla proudu, který vzniká mezi mikroskopovou sondou a zkoumaným vzorkem, ale hodnota přitažlivých sil, které mezi nimi vznikají, tedy slabé nechemické interakce – van der Waalsovy síly.
První pracovní model AFM byl poměrně jednoduchý. Vědci po povrchu vzorku pohybovali diamantovou sondou, spojenou s pružným mikromechanickým senzorem – konzolou ze zlaté fólie (mezi sondou a atomem dochází k přitahování, konzola se ohýbá v závislosti na síle přitažlivosti a deformuje piezoelektrikum). Míra ohybu konzoly byla zjišťována pomocí piezoelektrických senzorů - podobným způsobem se drážky a hřebeny vinylové desky přeměňují na zvukový záznam. Konstrukce mikroskopu atomárních sil umožnila detekovat přitažlivé síly až do 10–18 newtonů. Rok po vytvoření funkčního prototypu se vědcům podařilo získat snímek topografie grafitového povrchu s rozlišením 2,5 angstromu.
Za tři desetiletí, která od té doby uplynula, byla AFM použita ke studiu téměř jakéhokoli chemického objektu – od povrchu keramického materiálu po živé buňky a jednotlivé molekuly, a to jak ve statickém, tak dynamickém stavu. Mikroskopie atomárních sil se stala tahounem chemiků a materiálových vědců a počet prací, ve kterých se tato metoda používá, neustále roste (obr. 2).
V průběhu let si výzkumníci zvolili podmínky pro kontaktní i bezkontaktní studium objektů pomocí mikroskopie atomárních sil. Výše popsaná kontaktní metoda je založena na van der Waalsově interakci mezi konzolou a povrchem. Při provozu v bezkontaktním režimu budí piezovibrátor oscilace sondy na určité frekvenci (nejčastěji rezonanční). Síla působící od povrchu vede k tomu, že se mění jak amplituda, tak fáze kmitů sondy. Přes některé nedostatky bezkontaktní metody (především citlivost na vnější hluk) je to právě tato metoda, která vylučuje vliv sondy na studovaný objekt, a proto je pro chemiky zajímavější.
Živý na sondách, pronásleduje spojení
Mikroskopie atomových sil se stala bezkontaktní v roce 1998 díky práci Binnigova žáka Franze Josefa Gissibleho. Byl to on, kdo navrhl použít jako konzolu křemenný referenční oscilátor stabilní frekvence. Po 11 letech se výzkumníci z laboratoře IBM v Curychu pustili do další úpravy bezkontaktního AFM: roli sondy-senzoru neplnil ostrý diamantový krystal, ale jedna molekula - oxid uhelnatý. To umožnilo přejít na subatomární rozlišení, jak předvedl Leo Gross z curyšské divize IBM. V roce 2009 s pomocí AFM zviditelnil nikoli atomy, ale chemické vazby, přičemž získal celkem jasný a jednoznačně čitelný „obrázek“ pro molekulu pentacenu (obr. 3; Věda, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Leo Gross, přesvědčený, že chemickou vazbu lze vidět pomocí AFM, se rozhodl jít dále a použít mikroskop atomových sil k měření délek a řádů vazeb – klíčových parametrů pro pochopení chemické struktury, a tedy vlastností látek.
Připomeňme, že rozdíl v pořadí vazeb ukazuje na různé elektronové hustoty a různé meziatomové vzdálenosti mezi dvěma atomy (zjednodušeně řečeno, dvojná vazba je kratší než jednoduchá). V etanu je pořadí vazby uhlík-uhlík jedna, v ethylenu dvě a v klasické aromatické molekule, benzenu, je pořadí vazby uhlík-uhlík větší než jedna, ale menší než dvě a považuje se za 1,5.
Určení pořadí vazeb je mnohem obtížnější, když se přechází od jednoduchých aromatických systémů k planárním nebo objemným polykondenzovaným kruhovým systémům. Pořadí vazeb ve fullerenech sestávajících z kondenzovaných pěti- a šestičlenných uhlíkových cyklů tedy může nabývat libovolné hodnoty od jedné do dvou. Stejná nejistota teoreticky platí pro polycyklické aromatické sloučeniny.
V roce 2012 Leo Gross spolu s Fabianem Mohnem ukázali, že mikroskop atomárních sil s kovovou bezkontaktní sondou modifikovanou oxidem uhelnatým dokáže měřit rozdíly v rozložení nábojů mezi atomy a meziatomové vzdálenosti – tedy parametry spojené s pořadím vazeb. ( Věda, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Za tímto účelem studovali dva typy chemických vazeb ve fullerenu - vazbu uhlík-uhlík, společnou pro dva šestičlenné uhlíkové cykly fullerenu C 60, a vazbu uhlík-uhlík společnou pro pěti- a šestičlenné cykly. Mikroskop atomové síly ukázal, že kondenzace šestičlenných kruhů vede ke vazbě, která je kratší a vyššího řádu než kondenzace cyklických fragmentů C6 a C5. Studium vlastností chemické vazby v hexabenzokoronenu, kde je kolem centrálního cyklu C6 symetricky umístěno dalších šest C6 cyklů, potvrdilo výsledky kvantově chemického modelování, podle kterého je pořadí C-C vazeb centrálního kruhu (na Obr. 4, dopis i) musí být větší než vazby, které spojují tento prstenec s obvodovými cykly (na obr. 4 písm j). Podobné výsledky byly získány také pro složitější polycyklický aromatický uhlovodík obsahující devět šestičlenných kruhů.
Řády vazeb a meziatomové vzdálenosti samozřejmě zajímaly organické chemiky, ale důležitější byly pro ty, kteří se zabývali teorií chemických vazeb, predikcí reaktivity a studiem mechanismů chemických reakcí. Nicméně jak syntetické chemiky, tak specialisty na studium struktury přírodních sloučenin čekalo překvapení: ukázalo se, že mikroskop atomárních sil lze použít ke stanovení struktury molekul stejně jako NMR nebo IR spektroskopii. Navíc dává jednoznačnou odpověď na otázky, se kterými si tyto metody nedokážou poradit.
Od fotografie po kino
V roce 2010 byli stejní Leo Gross a Rainer Ebel schopni jednoznačně stanovit strukturu přírodní sloučeniny - cephalandolu A, izolovaného z bakterie Dermacoccus abyssi(Přírodní chemie, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Složení cefalandolu A bylo dříve stanoveno pomocí hmotnostní spektrometrie, ale analýza NMR spekter této sloučeniny nedala jednoznačnou odpověď na otázku její struktury: byly možné čtyři varianty. Pomocí mikroskopu atomové síly vědci okamžitě vyloučili dvě ze čtyř struktur a vybrali správnou volbu ze zbývajících dvou porovnáním výsledků získaných pomocí AFM a kvantového chemického modelování. Úkol se ukázal jako obtížný: na rozdíl od pentacenu, fullerenu a koronenu obsahuje cefalandol A nejen atomy uhlíku a vodíku, navíc tato molekula nemá rovinu symetrie (obr. 5) - ale i tento problém byl vyřešen.
Další potvrzení, že mikroskop atomové síly by mohl být použit jako analytický nástroj, přišlo od skupiny Oskara Kustanze, tehdy na inženýrské univerzitě v Osace. Ukázal, jak pomocí AFM rozlišit mezi atomy, které se od sebe liší mnohem méně než uhlík a vodík ( Příroda, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/příroda05530). Kustanz zkoumal povrch slitiny sestávající z křemíku, cínu a olova se známým obsahem každého prvku. V důsledku četných experimentů zjistil, že síla, která vzniká mezi hrotem AFM sondy a různými atomy, se liší (obr. 6). Například nejsilnější interakce byla pozorována při sondování křemíku a nejslabší interakce byla pozorována při sondování olova.
Předpokládá se, že v budoucnu budou výsledky mikroskopie atomárních sil pro rozpoznávání jednotlivých atomů zpracovány stejně jako výsledky NMR - porovnáním relativních hodnot. Vzhledem k tomu, že přesné složení jehly snímače je obtížné kontrolovat, absolutní hodnota síly mezi snímačem a různými povrchovými atomy závisí na experimentálních podmínkách a značce zařízení, ale poměr těchto sil pro jakékoli složení a tvar senzor zůstává konstantní pro každý chemický prvek.
V roce 2013 se objevily první příklady využití AFM k získání snímků jednotlivých molekul před a po chemických reakcích: z produktů a meziproduktů reakce se vytvoří „fotoset“, který lze následně namontovat do jakési dokumentární fólie ( Věda, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Felix Fisher a Michael Crommie z Kalifornské univerzity v Berkeley nanesli na povrch stříbro 1,2-bis[(2-ethynylfenyl)ethynyl]benzen, zobrazil molekuly a zahřál povrch, aby zahájil cyklizaci. Polovina původních molekul se změnila na polycyklické aromatické struktury, sestávající z fúzovaných pěti šestičlenných a dvou pětičlenných kruhů. Další čtvrtina molekul vytvořila struktury sestávající ze čtyř šestičlenných cyklů spojených jedním čtyřčlenným cyklem a dvěma pětičlennými cykly (obr. 7). Zbývající produkty byly oligomerní struktury a v nevýznamném množství polycyklické izomery.
Tyto výsledky vědce dvakrát překvapily. Za prvé, během reakce vznikly pouze dva hlavní produkty. Za druhé, jejich struktura způsobila překvapení. Fisher poznamenává, že chemická intuice a zkušenost umožnily nakreslit desítky možných reakčních produktů, ale žádný z nich neodpovídal sloučeninám, které se vytvořily na povrchu. Je možné, že interakce výchozích látek se substrátem přispěla ke vzniku atypických chemických procesů.
Po prvních vážných úspěších ve studiu chemických vazeb se samozřejmě někteří výzkumníci rozhodli použít AFM k pozorování slabších a méně prozkoumaných mezimolekulárních interakcí, zejména vodíkových vazeb. Práce v této oblasti jsou však teprve na začátku a jejich výsledky jsou rozporuplné. V některých publikacích se tedy uvádí, že mikroskopie atomových sil umožnila pozorovat vodíkovou vazbu ( Věda( Fyzické kontrolní dopisy, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). Snad konečnou odpověď na otázku, zda je možné pozorovat vodíkové a další mezimolekulární interakce pomocí mikroskopie atomárních sil, dostaneme již v tomto desetiletí. K tomu je nutné alespoň několikrát zvýšit rozlišení AFM a naučit se získávat snímky bez šumu ( Fyzický přehled B, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).
Syntéza jedné molekuly
V šikovných rukou se STM i AFM transformují z přístrojů schopných studovat hmotu na přístroje schopné směrově měnit strukturu hmoty. Pomocí těchto zařízení se již podařilo získat „nejmenší chemické laboratoře“, ve kterých se místo baňky používá substrát a místo molů či milimolů reaktantů se používají jednotlivé molekuly.
Například v roce 2016 použil mezinárodní tým vědců pod vedením Takashi Kumagaie bezkontaktní mikroskopii atomární síly k přenosu molekuly porfycenu z jedné z jejích forem do druhé ( Přírodní chemie, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porfycen lze považovat za modifikaci porfyrinu, jehož vnitřní cyklus obsahuje čtyři atomy dusíku a dva atomy vodíku. Vibrace sondy AFM přenesly dostatek energie na molekulu porfycenu, aby přenesly tyto vodíky z jednoho atomu dusíku na druhý, a jako výsledek byl získán „zrcadlový obraz“ této molekuly (obr. 8).
Skupina vedená neúnavným Leo Grossem také ukázala, že je možné zahájit reakci jediné molekuly – z dibromanthracenu udělali desetičlenný cyklický diyn (obr. 9; Přírodní chemie, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Na rozdíl od Kumagaie et al., použili k aktivaci molekuly skenovací tunelový mikroskop a výsledek reakce sledovali pomocí mikroskopu atomárních sil.
Kombinované použití rastrovacího tunelového mikroskopu a mikroskopu atomárních sil dokonce umožnilo získat molekulu, kterou nelze syntetizovat klasickými technikami a metodami ( Příroda Nanotechnologie, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Tento triangulen je nestabilní aromatický diradikál, jehož existence byla předpovězena již před šesti desetiletími, ale všechny pokusy o syntézu byly neúspěšné (obr. 10). Chemici ze skupiny Niko Pavlicek získali požadovanou sloučeninu odstraněním dvou atomů vodíku z jejího prekurzoru pomocí STM a potvrzením syntetického výsledku pomocí AFM.
Předpokládá se, že počet prací věnovaných aplikaci mikroskopie atomárních sil v organické chemii bude dále narůstat. V současné době se stále více vědců pokouší na povrchu zopakovat známou „chemii roztoku“. Ale možná syntetickí chemici začnou v roztoku reprodukovat ty reakce, které byly původně prováděny na povrchu pomocí AFM.
Od neživého k živému
Konzoly a sondy mikroskopů atomárních sil lze využít nejen pro analytické studie nebo syntézu exotických molekul, ale také pro řešení aplikovaných problémů. Případy využití AFM v medicíně jsou již známy například pro včasnou diagnostiku rakoviny a zde je průkopníkem tentýž Christopher Gerber, který se podílel na vývoji principu mikroskopie atomárních sil a vzniku AFM.
Gerberovi se tedy podařilo naučit AFM určit bodovou mutaci ribonukleové kyseliny v melanomu (na materiálu získaném jako výsledek biopsie). Za tímto účelem byla zlatá konzola mikroskopu atomárních sil modifikována oligonukleotidy, které mohou vstupovat do intermolekulární interakce s RNA a sílu této interakce lze stále měřit díky piezoelektrickému jevu. Citlivost senzoru AFM je tak vysoká, že se již používá ke studiu účinnosti oblíbené metody úpravy genomu CRISPR-Cas9. Spojuje technologie vytvořené různými generacemi výzkumníků.
Parafrází klasika jedné z politických teorií lze říci, že již dnes vidíme neomezené možnosti a nevyčerpatelnost mikroskopie atomárních sil a jen stěží si dokážeme představit, co nás v souvislosti s dalším rozvojem těchto technologií čeká. Ale i dnes nám rastrovací tunelový mikroskop a mikroskop atomových sil dávají možnost vidět atomy a dotýkat se jich. Dá se říci, že se nejedná pouze o prodloužení našich očí, které nám umožňuje nahlédnout do mikrokosmu atomů a molekul, ale také o nové oči, nové prsty, které se mohou tohoto mikrokosmu dotknout a ovládat jej.
