Trurl začal chytat atomy, seškraboval z nich elektrony, hnětl 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 nástroj, 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 flexibilním mikromechanickým senzorem – konzolou ze zlaté fólie (mezi sondou a atomem dochází k přitahování, konzola se ohýbá v závislosti na přitažlivé síle 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 šum) 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 rozpoznání 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 jako jakýsi dokumentární film ( 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 zkušenosti 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 známé 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 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.
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
Na této fotografii se díváte na první přímý snímek drah elektronu kolem atomu - ve skutečnosti vlnová funkce atomu!
K zachycení fotografie orbitální struktury atomu vodíku použili vědci nejnovější kvantový mikroskop, neuvěřitelné zařízení, které umožňuje vědcům nahlédnout do sféry kvantové fyziky.
Orbitální struktura prostoru v atomu je obsazena elektronem. Ale při popisu těchto mikroskopických vlastností hmoty se vědci spoléhají na vlnové funkce, matematické způsoby popisu kvantových stavů částic, totiž jak se chovají v prostoru a čase.
K popisu stavů částic se v kvantové fyzice zpravidla používají vzorce jako Schrödingerova rovnice.
Překážky v cestě badatelů
Až dosud vědci nikdy ve skutečnosti vlnovou funkci nepozorovali. Pokusit se zachytit přesnou polohu nebo hybnost osamělého elektronu bylo jako pokusit se chytit roj much. Přímá pozorování byla zkreslena velmi nepříjemným jevem – kvantovou koherencí.
K měření všech kvantových stavů potřebujete přístroj, který dokáže provést mnoho měření stavů částice v průběhu času.
Jak ale zvýšit již mikroskopický stav kvantové částice? Odpověď našla skupina mezinárodních výzkumníků. S kvantovým mikroskopem, zařízením, které využívá fotoionizaci k přímému pozorování atomových struktur.
Aneta Stodolna z Institute of Molecular Physics (AMOLF) v Nizozemsku ve svém článku v populárním časopise Physical Review Letters popisuje, jak se svým týmem získala nodální elektronové orbitální struktury atomu vodíku umístěného ve statickém elektrickém poli.
Způsob práce
Po ozáření laserovými pulzy opustily ionizované elektrony své dráhy a po měřené trajektorii dopadaly do 2D detektoru (dvojitá mikrokanálová deska. Detektor je umístěn kolmo k samotnému poli). Existuje mnoho trajektorií, po kterých mohou elektrony cestovat, než se srazí s detektorem. To poskytuje výzkumníkům soubor interferenčních vzorů, modelů, které odrážejí uzlovou strukturu vlnové funkce.
Vědci použili elektrostatickou čočku, která zvětšuje odcházející vlnu elektronů více než 20 000krát.
Atom vodíku zachycující elektronová mračna. A přestože moderní fyzici mohou pomocí urychlovačů určit tvar protonu, atom vodíku zřejmě zůstane nejmenším objektem, jehož obraz má smysl nazývat fotografií. „Lenta.ru“ představuje přehled moderních metod fotografování mikrosvěta.
Přísně vzato, v dnešní době nezbylo téměř žádné běžné fotografování. Obrázky, které běžně nazýváme fotografiemi a lze je najít například v jakékoli fotografické eseji Lenta.ru, jsou ve skutečnosti počítačové modely. Světlocitlivá matice ve speciálním zařízení (tradičně se jí stále říká „kamera“) určuje prostorové rozložení intenzity světla v několika různých spektrálních rozsazích, řídicí elektronika tato data ukládá v digitální podobě a následně další elektronický obvod, založený na na těchto datech dává příkaz tranzistorům v displeji z tekutých krystalů. Film, papír, speciální řešení pro jejich zpracování - to vše se stalo exotickým. A pokud si pamatujeme doslovný význam toho slova, pak je fotografie „malba světlem“. Co tedy říci, že se to vědcům povedlo fotografovat atom, je možné pouze s značnou dávkou konvenčnosti.
Více než polovina všech astronomických snímků byla dlouho pořízena infračervenými, ultrafialovými a rentgenovými dalekohledy. Elektronové mikroskopy ozařují nikoli světlem, ale elektronovým paprskem, zatímco mikroskopy atomárních sil skenují reliéf vzorku jehlou. Existují rentgenové mikroskopy a skenery magnetické rezonance. Všechna tato zařízení nám poskytují přesný obraz různých předmětů, a přestože zde samozřejmě není nutné hovořit o „malování světlem“, stále si dovolíme takové obrazy nazývat fotografiemi.
Experimenty fyziků na určení tvaru protonu nebo rozložení kvarků uvnitř částic zůstanou v zákulisí; náš příběh bude omezen na rozsah atomů.
Optika nikdy nezestárne
Jak se ukázalo ve druhé polovině 20. století, optické mikroskopy mají stále prostor se vyvíjet. Určujícím momentem v biologickém a lékařském výzkumu byl příchod fluorescenčních barviv a metod selektivního označování určitých látek. Nebyl to „jen nový lak“, byla to skutečná revoluce.
Na rozdíl od běžné mylné představy fluorescence vůbec není záře ve tmě (ta se nazývá luminiscence). Jedná se o jev absorpce kvant určité energie (řekněme modrého světla) s následným vyzařováním dalších kvant o nižší energii a podle toho i jiného světla (při pohlcení modré bude vyzařováno zelené). Pokud vložíte filtr, který umožňuje procházet pouze kvantům emitovaným barvivem a blokuje světlo způsobující fluorescenci, můžete vidět tmavé pozadí se světlými skvrnami barviv a barviva zase mohou obarvit vzorek extrémně selektivně. .
Můžete například obarvit cytoskelet nervové buňky červeně, zvýraznit synapse zeleně a zvýraznit jádro modře. Můžete vytvořit fluorescenční značku, která vám za určitých podmínek umožní detekovat proteinové receptory na membráně nebo molekuly syntetizované buňkou. Metoda imunohistochemického barvení způsobila revoluci v biologické vědě. A když se genetickí inženýři naučili vyrábět transgenní zvířata s fluorescenčními proteiny, zažila tato metoda znovuzrození: realitou se staly například myši s neurony natřenými různými barvami.
Inženýři navíc vymysleli (a praktikovali) metodu takzvané konfokální mikroskopie. Jeho podstata spočívá v tom, že mikroskop zaostří na velmi tenkou vrstvu a speciální clona odřízne světlo vytvářené předměty mimo tuto vrstvu. Takový mikroskop dokáže sekvenčně naskenovat vzorek shora dolů a získat stoh obrázků, což je hotový základ pro trojrozměrný model.
Použití laserů a sofistikovaných systémů řízení optického paprsku umožnilo vyřešit problém blednutí barviva a vysychání jemných biologických vzorků pod jasným světlem: laserový paprsek snímá vzorek pouze tehdy, když je to nutné pro zobrazení. A aby se neztrácel čas a úsilí na zkoumání velkého preparátu okulárem s úzkým zorným polem, inženýři navrhli automatický skenovací systém: sklenici se vzorkem můžete položit na stolek objektu moderního mikroskopu a zařízení nezávisle zachytí velkoplošné panorama celého vzorku. Zároveň na správných místech zaostří a poté slepí mnoho snímků dohromady.
Některé mikroskopy mohou pojmout živé myši, krysy nebo alespoň malé bezobratlé. Jiné poskytují mírné zvýšení, ale jsou kombinovány s rentgenovým přístrojem. Aby se eliminovalo rušení vibrací, mnohé jsou namontovány na speciálních stolech o hmotnosti několika tun uvnitř s pečlivě kontrolovaným mikroklimatem. Náklady na takové systémy převyšují náklady na jiné elektronové mikroskopy a soutěže o nejkrásnější rám se již dlouho staly tradicí. Zdokonalování optiky navíc pokračuje: od hledání nejlepších typů skel a výběru optimálních kombinací čoček se inženýři posunuli ke způsobům zaostřování světla.
Konkrétně jsme uvedli řadu technických detailů, abychom ukázali, že pokrok v biologickém výzkumu je již dlouho spojen s pokrokem v jiných oblastech. Kdyby neexistovaly počítače schopné automaticky spočítat počet obarvených buněk na několika stovkách fotografií, supermikroskopy by byly málo použitelné. A bez fluorescenčních barviv by byly všechny miliony buněk od sebe k nerozeznání, takže by bylo téměř nemožné sledovat vznik nových nebo zánik starých.
Ve skutečnosti byl prvním mikroskopem svorka s připojenou sférickou čočkou. Obdobou takového mikroskopu může být jednoduchá hrací karta s otvorem v ní a kapkou vody. Podle některých zpráv taková zařízení používali těžaři zlata na Kolymě již v minulém století.
Za limitem difrakce
Optické mikroskopy mají zásadní nevýhodu. Faktem je, že je nemožné obnovit tvar těch objektů, které se ukázaly být mnohem menší než vlnová délka z tvaru světelných vln: stejně dobře se můžete pokusit prozkoumat jemnou texturu materiálu rukou v silná svářečská rukavice.
Omezení vytvořená difrakcí byla částečně překonána a bez porušení fyzikálních zákonů. Dvě okolnosti pomáhají optickým mikroskopům ponořit se pod difrakční bariéru: skutečnost, že během fluorescence jsou kvanta emitována jednotlivými molekulami barviva (které mohou být od sebe značně vzdálené), a skutečnost, že superponováním světelných vln je možné získat jasný skvrna o průměru menším než je vlnová délka.
Při superponování na sebe se světelné vlny mohou navzájem rušit, proto jsou parametry osvětlení vzorku takové, že do světlé oblasti spadá co nejmenší plocha. V kombinaci s matematickými algoritmy, které mohou například odstranit duchy, poskytuje takové směrové osvětlení dramatické zlepšení kvality obrazu. Je možné například zkoumat intracelulární struktury optickým mikroskopem a dokonce (kombinací popsané metody s konfokální mikroskopií) získat jejich trojrozměrné obrazy.
Elektronový mikroskop před elektronickými přístroji
Aby vědci objevili atomy a molekuly, nemuseli se na ně dívat – molekulární teorie nepotřebovala objekt vidět. Ale mikrobiologie byla možná až po vynálezu mikroskopu. Proto byly mikroskopy zpočátku spojovány právě s medicínou a biologií: fyziky a chemiky, kteří studovali mnohem menší objekty spravované jinými prostředky. Když se chtěli také podívat na mikrokosmos, stala se difrakční omezení vážným problémem, zejména proto, že výše popsané metody fluorescenční mikroskopie byly stále neznámé. A nemá smysl zvyšovat rozlišení z 500 na 100 nanometrů, pokud je uvažovaný objekt ještě menší!
S vědomím, že elektrony se mohou chovat jako vlna i jako částice, vytvořili němečtí fyzici v roce 1926 elektronovou čočku. Základní myšlenka byla velmi jednoduchá a pro každého školáka srozumitelná: protože elektromagnetické pole vychyluje elektrony, lze jej použít ke změně tvaru paprsku těchto částic jejich odtažením, nebo naopak ke zmenšení průměru paprsek. O pět let později, v roce 1931, Ernst Ruska a Max Knoll postavili první elektronový mikroskop na světě. V zařízení byl vzorek nejprve osvětlen elektronovým paprskem a poté elektronová čočka rozšířila paprsek, který prošel, než dopadl na speciální luminiscenční stínítko. První mikroskop poskytoval pouze 400násobné zvětšení, ale nahrazení světla elektrony otevřelo cestu k fotografování se stotisícovým zvětšením: konstruktéři museli překonat jen pár technických překážek.
Elektronový mikroskop umožnil zkoumat strukturu buněk v kvalitě, která byla dříve nedosažitelná. Ale z tohoto obrázku není možné pochopit stáří buněk a přítomnost určitých proteinů v nich a tyto informace jsou pro vědce velmi potřebné.
Elektronové mikroskopy nyní umožňují detailní fotografie virů. Existují různé modifikace zařízení, které umožňují nejen prosvítit tenké řezy, ale také je uvažovat v "odraženém světle" (samozřejmě v odražených elektronech). Nebudeme podrobně mluvit o všech možnostech mikroskopů, ale poznamenáváme, že nedávno se vědci naučili, jak obnovit obraz z difrakčního vzoru.
Dotknout se, nevidět
Další revoluce přišla na úkor dalšího odklonu od principu „osvítit a vidět“. Na povrch vzorků již nesvítí mikroskop atomárních sil, stejně jako rastrovací tunelový mikroskop. Místo toho se po povrchu pohybuje obzvlášť tenká jehla, která doslova poskakuje i na hrbolcích o velikosti jednoho atomu.
Aniž bychom zacházeli do detailů všech takových metod, poznamenáváme hlavní věc: jehlu tunelového mikroskopu lze nejen pohybovat po povrchu, ale také ji použít k přeskupení atomů z místa na místo. Vědci tak vytvářejí nápisy, kresby a dokonce i karikatury, ve kterých si nakreslený chlapec hraje s atomem. Skutečný atom xenonu tažený špičkou rastrovacího tunelového mikroskopu.
Tunelový mikroskop se nazývá proto, že využívá efekt tunelovacího proudu protékajícího jehlou: elektrony procházejí mezerou mezi jehlou a povrchem kvůli tunelovému efektu předpovídanému kvantovou mechanikou. Toto zařízení vyžaduje k provozu vakuum.
Mikroskop atomárních sil (AFM) je mnohem méně náročný na podmínky prostředí – může (s řadou omezení) pracovat bez čerpání vzduchu. V jistém smyslu je AFM nanotechnologickým nástupcem gramofonu. Jehla namontovaná na tenké a flexibilní konzolové konzole ( konzola a je zde „závorka“), pohybuje se po povrchu, aniž by na něj bylo přiváděno napětí, a sleduje reliéf vzorku stejným způsobem, jako jehla gramofonu sleduje drážky gramofonové desky. Prohnutím konzoly dochází k vychýlení zrcadla na ní upevněného, zrcadlo vychyluje laserový paprsek a to umožňuje velmi přesně určit tvar zkoumaného vzorku. Hlavní je mít poměrně přesný systém pohybu jehly a také zásobu jehel, které musí být dokonale ostré. Poloměr zakřivení na špičkách takových jehel nesmí přesáhnout jeden nanometr.
AFM umožňuje vidět jednotlivé atomy a molekuly, ale stejně jako tunelovací mikroskop neumožňuje nahlédnout pod povrch vzorku. Jinými slovy, vědci si musí vybrat mezi tím, že budou schopni vidět atomy, a tím, že budou schopni studovat celý objekt. Ani pro optické mikroskopy však nejsou vnitřky studovaných vzorků vždy přístupné, protože minerály nebo kovy většinou špatně propouštějí světlo. Navíc jsou stále potíže s fotografováním atomů – tyto objekty se jeví jako jednoduché kuličky, tvar elektronových mraků není na takových snímcích vidět.
Synchrotronové záření, ke kterému dochází při zpomalování nabitých částic rozptýlených urychlovači, umožňuje studovat zkamenělé pozůstatky pravěkých zvířat. Otáčením vzorku pod rentgenovým zářením můžeme získat trojrozměrné tomogramy – takto byl například nalezen mozek uvnitř lebky ryb, které vyhynuly před 300 miliony let. Můžete se obejít bez rotace, pokud je registrace procházejícího záření fixací rentgenových paprsků rozptýlených v důsledku difrakce.
A to nejsou všechny možnosti, které rentgenové záření otevírá. Když se jím ozáří, mnoho materiálů fluoreskuje a chemické složení látky může být určeno povahou fluorescence: tímto způsobem vědci barví starověké artefakty, Archimédova díla vymazaná ve středověku nebo barvu peří. dávno vyhynulých ptáků.
Pózování atomů
Na pozadí všech možností, které poskytují rentgenové nebo optické fluorescenční metody, se nový způsob fotografování jednotlivých atomů již nejeví jako tak velký průlom ve vědě. Podstata metody, která umožnila získat snímky prezentované tento týden, je následující: elektrony jsou vytrhávány z ionizovaných atomů a posílány do speciálního detektoru. Každý akt ionizace oddělí elektron z určité pozice a udělí jeden bod na "fotce". Poté, co vědci nashromáždili několik tisíc takových bodů, vytvořili obrázek ukazující nejpravděpodobnější místa pro nalezení elektronu kolem jádra atomu, a to je podle definice elektronový mrak.
Na závěr si řekněme, že schopnost vidět jednotlivé atomy s jejich elektronovými mračny je spíše třešničkou na dortu moderní mikroskopie. Pro vědce bylo důležité studovat strukturu materiálů, studovat buňky a krystaly a vývoj technologií z toho vyplývající umožnil dosáhnout atomu vodíku. Cokoliv méně je již ve sféře zájmu specialistů na fyziku elementárních částic. A biologové, materiální vědci a geologové mají stále prostor vylepšovat mikroskopy i při poněkud mírném zvětšení ve srovnání s atomy. Například odborníci na neurofyziologii už dlouho touží po zařízení, které dokáže vidět jednotlivé buňky uvnitř živého mozku, a tvůrci roverů by prodali svou duši za elektronový mikroskop, který by se vešel na palubu kosmické lodi a mohl pracovat na Marsu.
Fotografování samotného atomu, a ne jeho jakékoli 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.
