Kuten tiedät, kaikki maailmankaikkeuden materiaali koostuu atomeista. Atomi on pienin aineen yksikkö, joka kantaa sen ominaisuuksia. Atomin rakenne puolestaan koostuu maagisesta mikrohiukkasten kolminaisuudesta: protoneista, neutroneista ja elektroneista.
Lisäksi jokainen mikrohiukkasista on universaali. Eli maailmasta ei löydy kahta erilaista protonia, neutronia tai elektronia. Kaikki ne ovat täysin samanlaisia toistensa kanssa. Ja atomin ominaisuudet riippuvat vain näiden mikrohiukkasten kvantitatiivisesta koostumuksesta atomin yleisessä rakenteessa.
Esimerkiksi vetyatomin rakenne koostuu yhdestä protonista ja yhdestä elektronista. Seuraavaksi monimutkaisuudessa heliumatomi koostuu kahdesta protonista, kahdesta neutronista ja kahdesta elektronista. Litiumatomi koostuu kolmesta protonista, neljästä neutronista ja kolmesta elektronista jne.
Atomien rakenne (vasemmalta oikealle): vety, helium, litium
Atomit yhdistyvät molekyyleiksi, ja molekyylit yhdistyvät aineiksi, mineraaleiksi ja organismeiksi. DNA-molekyyli, joka on kaiken elämän perusta, on rakenne, joka on koottu samoista kolmesta maailmankaikkeuden maagisesta rakennuspalikosta kuin tiellä makaava kivi. Vaikka tämä rakenne on paljon monimutkaisempi.
Vielä hämmästyttävämpiä faktoja paljastuu, kun yritämme tarkastella lähemmin atomijärjestelmän mittasuhteita ja rakennetta. Tiedetään, että atomi koostuu ytimestä ja sen ympärillä liikkuvista elektroneista palloa kuvaavaa liikerataa pitkin. Eli sitä ei voi edes kutsua liikkeeksi sanan tavallisessa merkityksessä. Elektroni sijaitsee pikemminkin kaikkialla ja välittömästi tämän pallon sisällä, muodostaen elektronipilven ytimen ympärille ja muodostaen sähkömagneettisen kentän.
Kaavioesitys atomin rakenteesta
Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista, ja siihen on keskittynyt lähes koko järjestelmän massa. Mutta samaan aikaan itse ydin on niin pieni, että jos lisäät sen säteen asteikolla 1 cm, niin koko atomin rakenteen säde saavuttaa satoja metrejä. Siten kaikki, mitä näemme tiheänä aineena, koostuu yli 99 % energiayhteyksistä pelkästään fyysisten hiukkasten välillä ja alle 1 % itse fysikaalisista muodoista.
Mutta mitä nämä fyysiset muodot ovat? Mistä ne on tehty ja kuinka materiaalia ne ovat? Vastataksemme näihin kysymyksiin, katsotaanpa tarkemmin protonien, neutronien ja elektronien rakenteita. Joten laskeudumme vielä yhden askeleen mikrokosmoksen syvyyksiin - subatomisten hiukkasten tasolle.
Mistä elektroni on tehty?
Atomin pienin hiukkanen on elektroni. Elektronilla on massa, mutta ei tilavuutta. Tieteellisen näkemyksen mukaan elektroni ei koostu mistään, vaan on rakenteeton piste.
Elektronia ei voi nähdä mikroskoopilla. Se havaitaan vain elektronipilven muodossa, joka näyttää sumealta pallolta atomiytimen ympärillä. Samanaikaisesti on mahdotonta sanoa tarkasti, missä elektroni kulloinkin sijaitsee. Laitteet eivät pysty sieppaamaan itse hiukkasta, vaan vain sen energiajäljen. Elektronin olemus ei ole upotettu aineen käsitteeseen. Se on pikemminkin kuin tyhjä muoto, joka on olemassa vain liikkeessä ja sen kautta.
Elektronista ei ole vielä löydetty rakennetta. Se on sama pistehiukkanen kuin energian kvantti. Itse asiassa elektroni on energiaa, mutta tämä on sen vakaampi muoto kuin valon fotonien edustama muoto.
Tällä hetkellä elektronia pidetään jakamattomana. Tämä on ymmärrettävää, koska on mahdotonta jakaa jotain, jolla ei ole tilavuutta. Teoriassa on kuitenkin jo kehitystä, jonka mukaan elektronin koostumus sisältää kolminaisuuden sellaisia kvasihiukkasia, kuten:
- Orbiton - sisältää tietoa elektronin kiertoradan sijainnista;
- Spinon - vastaa pyörityksestä tai vääntömomentista;
- Holon - kuljettaa tietoa elektronin varauksesta.
Kuten näemme, kvasihiukkasilla ei kuitenkaan ole mitään yhteistä aineen kanssa, ja ne kuljettavat vain informaatiota.
Valokuvia eri aineiden atomeista elektronimikroskoopissa
Mielenkiintoista on, että elektroni voi absorboida energiakvantteja, kuten valoa tai lämpöä. Tässä tapauksessa atomi siirtyy uudelle energiatasolle ja elektronipilven rajat laajenevat. Sattuu myös niin, että elektronin absorboima energia on niin suuri, että se voi hypätä ulos atomijärjestelmästä ja jatkaa liikkumistaan itsenäisenä hiukkasena. Samalla se käyttäytyy kuin valon fotoni, eli se näyttää lakkaavan olemasta hiukkanen ja alkaa osoittaa aallon ominaisuuksia. Tämä on todistettu kokeessa.
Youngin kokeilu
Kokeen aikana elektronivirta suunnattiin näytölle, johon oli leikattu kaksi rakoa. Kulkiessaan näiden rakojen läpi elektronit törmäsivät toisen projektionäytön pintaan jättäen jälkensä siihen. Tämän elektronien "pommituksen" seurauksena projektionäytölle ilmestyi interferenssikuvio, joka olisi samanlainen kuin jos aallot, mutta eivät hiukkaset, kulkisivat kahden raon läpi.
Tällainen kuvio johtuu siitä, että aalto, joka kulkee kahden raon välillä, on jaettu kahteen aaltoon. Lisäliikkeen seurauksena aallot menevät päällekkäin ja joillain alueilla kumoavat toisensa. Seurauksena on, että projektiokankaalle tulee monta raitaa yhden sijasta, kuten olisi, jos elektroni käyttäytyisi hiukkasen tavoin.
Atomin ytimen rakenne: protonit ja neutronit
Protonit ja neutronit muodostavat atomin ytimen. Ja huolimatta siitä, että kokonaistilavuudessa ydin vie alle 1%, juuri tähän rakenteeseen keskittyy melkein koko järjestelmän massa. Mutta protonien ja neutronien rakenteen kustannuksella fyysikot jakavat mielipiteet, ja tällä hetkellä on olemassa kaksi teoriaa kerralla.
- Teoria #1 - Standardi
Standardimalli sanoo, että protonit ja neutronit koostuvat kolmesta kvarkista, joita yhdistää gluonipilvi. Kvarkit ovat pistehiukkasia, kuten kvantit ja elektronit. Ja gluonit ovat virtuaalisia hiukkasia, jotka varmistavat kvarkkien vuorovaikutuksen. Luonnosta ei kuitenkaan ole löydetty kvarkeja eikä gluoneja, joten tämä malli on ankaran kritiikin kohteena.
- Teoria #2 - Vaihtoehto
Mutta Einsteinin kehittämän vaihtoehtoisen yhtenäisen kentän teorian mukaan protoni, kuten neutroni, kuten mikä tahansa muu fyysisen maailman hiukkanen, on valonnopeudella pyörivä sähkömagneettinen kenttä.
Ihmisen ja planeetan sähkömagneettiset kentät
Mitkä ovat atomin rakenteen periaatteet?
Kaikki maailmassa - hienovarainen ja tiheä, nestemäinen, kiinteä ja kaasumainen - on vain lukemattomien kenttien energiatiloja, jotka läpäisevät universumin avaruuden. Mitä korkeampi energiataso kentällä on, sitä ohuempi ja vähemmän havaittavissa oleva se on. Mitä matalampi energiataso, sitä vakaampi ja konkreettisempi se on. Atomin rakenteessa, samoin kuin minkä tahansa muun universumin yksikön rakenteessa, on tällaisten kenttien vuorovaikutus - erilaisten energiatiheydellä. Osoittautuu, että aine on vain mielen illuusio.
Atomi (kreikan sanasta "jakamaton") on aikoinaan mikroskooppisen kokoinen aineen pienin hiukkanen, kemiallisen alkuaineen pienin osa, joka kantaa sen ominaisuuksia. Atomin ainesosilla - protoneilla, neutroneilla, elektroneilla - ei enää ole näitä ominaisuuksia ja ne muodostavat ne yhdessä. Kovalenttiset atomit muodostavat molekyylejä. Tiedemiehet tutkivat atomin ominaisuuksia, ja vaikka ne ovat jo melko hyvin tutkittuja, he eivät menetä mahdollisuutta löytää jotain uutta - erityisesti uusien materiaalien ja uusien atomien luomisen alalla (jatkoa jaksollista järjestelmää). 99,9 % atomin massasta on ytimessä.
Älä pelkää otsikkoa. National Accelerator Laboratory SLAC:n henkilökunnan vahingossa luoma musta aukko osoittautui vain yhden atomin kokoiseksi, joten mikään ei uhkaa meitä. Ja nimi "musta aukko" kuvaa vain etäisesti tutkijoiden havaitsemaa ilmiötä. Olemme toistuvasti kertoneet sinulle maailman tehokkaimmasta röntgenlaserista, nimeltään
Itse atomin, ei minkään sen osan, kuvaaminen oli kuitenkin äärimmäisen vaikea tehtävä jopa kaikkein huipputeknisten laitteiden kanssa.
Tosiasia on, että kvanttimekaniikan lakien mukaan on mahdotonta määrittää yhtä tarkasti subatomisen hiukkasen kaikkia ominaisuuksia. Tämä teoreettisen fysiikan osa on rakennettu Heisenbergin epävarmuusperiaatteelle, jonka mukaan on mahdotonta mitata hiukkasen koordinaatteja ja liikemäärää samalla tarkkuudella - yhden ominaisuuden tarkat mittaukset muuttavat varmasti tietoja toisesta.
Siksi kvanttiteoria ehdottaa paikan (hiukkasten koordinaattien) määrittämisen sijaan niin kutsutun aaltofunktion mittaamista.
Aaltofunktio toimii pitkälti samalla tavalla kuin ääniaalto. Ainoa ero on, että ääniaallon matemaattinen kuvaus määrittää molekyylien liikkeen ilmassa tietyssä paikassa ja aaltofunktio kuvaa hiukkasen esiintymisen todennäköisyyttä jossakin paikassa Schrödingerin yhtälön mukaisesti.
Aaltofunktion mittaaminen ei myöskään ole helppoa (suorat havainnot saavat sen romahtamaan), mutta teoreettiset fyysikot voivat karkeasti ennustaa sen arvot.
Kaikki aaltofunktion parametrit on mahdollista mitata kokeellisesti vain, jos ne kerätään erillisistä destruktiivisista mittauksista, jotka on suoritettu täysin identtisillä atomi- tai molekyylisysteemeillä.
Fyysikot Hollannista tutkimuslaitos AMOLF esitteli uuden menetelmän, joka ei vaadi "uudelleenrakentamista", ja julkaisi työnsä tulokset Physical Review Letters -lehdessä. Heidän metodologiansa perustuu kolmen Neuvostoliiton teoreettisen fyysikon vuonna 1981 esittämään hypoteesiin sekä uudempiin tutkimuksiin.
Kokeen aikana tutkijaryhmä suuntasi kaksi lasersädettä erityiseen kammioon sijoitettuihin vetyatomeihin. Tällaisen törmäyksen seurauksena elektronit poistuivat radaltaan niiden aaltofunktioiden määräämällä nopeudella ja suunnalla. Voimakas sähkökenttä kammiossa, jossa vetyatomit sijaitsi, lähetti elektroneja tasomaisen (litteän) ilmaisimen tiettyihin osiin.
Ilmaisimeen osuvien elektronien sijainti määräytyi niiden alkunopeuden perusteella, ei niiden sijainnin perusteella. Siten ilmaisimen elektronien jakautuminen kertoi tutkijoille näiden hiukkasten aaltofunktiosta, joka heillä oli, kun he lähtivät vetyatomin ytimen kiertoradalta.
Elektronien liikkeet näytettiin fosforoivalla näytöllä tummien ja vaaleiden renkaiden muodossa, joita tutkijat kuvasivat korkearesoluutioisella digitaalikameralla.
"Olemme erittäin tyytyväisiä tuloksiimme. Kvanttimekaniikka sillä on niin vähän tekemistä ihmisten jokapäiväisen elämän kanssa, että tuskin kukaan olisi ajatellut saada todellista valokuvaa kvanttivuorovaikutuksista atomissa", sanoo tutkimuksen johtava kirjoittaja Aneta Stodolna. Hän väittää myös, että kehitetyllä tekniikalla voi olla käytännön käyttöä esimerkiksi luoda atomin paksuisia johtimia, kehittää molekyylilankateknologiaa, joka parantaa merkittävästi nykyaikaisia elektroniikkalaitteita.
"On huomionarvoista, että koe suoritettiin vedyllä, joka on sekä yksinkertaisin että yleisin aine universumissamme. On tarpeen ymmärtää, voidaanko tätä tekniikkaa soveltaa monimutkaisempiin atomeihin. Jos on, niin tämä on suuri läpimurto, jonka avulla voimme kehittää elektroniikan lisäksi myös nanoteknologiaa”, sanoo Jeff Lundeen Ottawan yliopistosta, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.
Kokeen suorittaneet tutkijat eivät kuitenkaan ajattele asian käytännön puolta. He uskovat, että heidän löytönsä liittyy ensisijaisesti perustieteeseen, joka auttaa siirtämään enemmän tietoa tuleville fyysikkojen sukupolville.
Yhdysvaltalaiset fyysikot onnistuivat vangitsemaan yksittäisiä atomeja valokuvaan ennätysresoluutiolla, kertoo Day.Az Vesti.ru:hun viitaten.
Yhdysvaltalaisen Cornellin yliopiston tutkijat onnistuivat vangitsemaan yksittäisiä atomeja valokuvaan ennätysresoluutiolla, joka oli alle puolen angströmin (0,39 Å). Aiempien valokuvien resoluutio oli puolet - 0,98 Å.
Tehokkaita atomeja näkeviä elektronimikroskooppeja on ollut olemassa puoli vuosisataa, mutta niiden resoluutiota rajoittaa näkyvän valon pitkä aallonpituus, joka on suurempi kuin keskimääräisen atomin halkaisija.
Siksi tutkijat käyttävät eräänlaista linssien analogia, jotka tarkentavat ja suurentavat kuvaa elektronimikroskopeissa - ne ovat magneettikenttä. Kuitenkin magneettikentän vaihtelut vääristävät tulosta. Vääristymien poistamiseksi käytetään lisälaitteita, jotka korjaavat magneettikenttää, mutta lisäävät samalla elektronimikroskoopin suunnittelun monimutkaisuutta.
Aiemmin Cornellin yliopiston fyysikot kehittivät elekt(EMPAD) korvaamaan sen. monimutkainen järjestelmä generaattorit, jotka fokusoivat saapuvia elektroneja yhdellä pienellä matriisilla, jonka resoluutio on 128x128 pikseliä ja jotka ovat herkkiä yksittäisille elektroneille. Jokainen pikseli rekisteröi elektronin heijastuskulman; Tietäen sen ptyikografiatekniikkaa käyttävät tutkijat rekonstruoivat elektronien ominaisuudet, mukaan lukien sen pisteen koordinaatit, josta ne vapautettiin.
Atomit korkeimmalla resoluutiolla
David A. Muller et ai. Luonto, 2018.
Kesällä 2018 fyysikot päättivät parantaa saatujen kuvien laatua toistaiseksi ennätykselliseen resoluutioon. Tutkijat kiinnittivät 2D-materiaalilevyn - molybdeenisulfidi MoS2 - liikkuvaan säteeseen ja vapauttivat elektronisäteitä kääntämällä säteen eri kulmiin elektronilähteeseen nähden. EMPADin ja ptyikografian avulla tutkijat määrittelivät yksittäisten molybdeeniatomien väliset etäisyydet ja saivat kuvan, jonka ennätysresoluutio oli 0,39 Å.
"Itse asiassa olemme luoneet maailman pienimmän viivaimen", selittää Sol Gruner (Sol Gruner), yksi kokeen tekijöistä. Tuloksena olevasta kuvasta oli mahdollista nähdä rikkiatomeja ennätysresoluutiolla 0,39 Å. Lisäksi onnistuimme jopa näkemään paikan, josta yksi tällainen atomi puuttuu (merkitty nuolella).
Rikkiatomit ennätysresoluutiolla
Trurl alkoi siepata atomeja, raaputtamalla niistä elektroneja, vaivaamalla protoneja niin, että vain hänen sormensa välähti, valmisti protonitaikinan, asetti elektroneja sen ympärille ja - seuraavalle atomille; oli kulunut alle viisi minuuttia, ennen kuin hän piti käsissään puhdasta kultaharkkoa: hän ojensi sen kuonolleen, mutta nainen, maistettuaan tankoa hampaansa päällä ja nyökkää päätään, sanoi:
- Ja todellakin kultaa, mutta en voi jahtaa atomeja sillä tavalla. Olen liian iso.
- Ei mitään, annamme sinulle erikoislaitteen! Trurl suostutteli hänet.
Stanislav Lem, Cyberiad
Onko mahdollista nähdä atomi mikroskoopilla, erottaa se toisesta atomista, seurata kemiallisen sidoksen tuhoutumista tai muodostumista ja nähdä kuinka yksi molekyyli muuttuu toiseksi? Kyllä, jos se ei ole yksinkertainen mikroskooppi, vaan atomivoimainen mikroskooppi. Ja voit, etkä rajoitu havainnointiin. Elämme aikaa, jolloin atomivoimamikroskooppi on lakannut olemasta vain ikkuna mikromaailmaan. Nykyään tällä instrumentilla voidaan siirtää atomeja, katkaista kemiallisia sidoksia, tutkia yksittäisten molekyylien venytysrajaa - ja jopa tutkia ihmisen genomia.
Kirjeitä xenon-pikseleistä
Atomien huomioiminen ei ole aina ollut niin helppoa. Atomivoimamikroskoopin historia alkoi vuonna 1979, jolloin Zürichin IBM:n tutkimuskeskuksessa työskentelevät Gerd Karl Binnig ja Heinrich Rohrer alkoivat luoda instrumenttia, joka mahdollistaisi pintojen tutkimisen atomiresoluutiolla. Tällaisen laitteen keksimiseksi tutkijat päättivät käyttää tunnelin siirtymävaikutusta - elektronien kykyä voittaa näennäisesti läpäisemättömät esteet. Ajatuksena oli määrittää atomien sijainti näytteessä mittaamalla skannaussondin ja tutkittavan pinnan välillä esiintyvän tunnelointivirran voimakkuus.
Binnig ja Rohrer onnistuivat, ja he jäivät historiaan skannaavan tunnelimikroskoopin (STM) keksijöinä ja saivat vuonna 1986 fysiikan Nobelin palkinnon. Pyyhkäisytunnelimikroskooppi on tehnyt todellisen mullistuksen fysiikassa ja kemiassa.
Vuonna 1990 Kaliforniassa IBM:n tutkimuskeskuksessa työskentelevät Don Eigler ja Erhard Schweitzer osoittivat, että STM:ää voidaan käyttää paitsi atomien tarkkailuun myös niiden manipulointiin. Pyyhkäisytunnelimikroskoopin anturin avulla he loivat ehkä suosituimman kuvan, joka symboloi kemistien siirtymistä yksittäisten atomien kanssa työskentelemiseen - he maalasivat kolme kirjainta nikkelipinnalle, jossa oli 35 ksenonatomia (kuva 1).
Binnig ei jäänyt lepäämään laakereillaan – vastaanottamisvuonna Nobel palkinto Christopher Gerberin ja Kelvin Quaytin kanssa, myös IBM Zürichin tutkimuskeskuksessa, hän aloitti työskentelyn toisella mikromaailman tutkimiseen tarkoitetulla laitteella, josta puuttui STM:n luontaiset puutteet. Tosiasia on, että pyyhkäisytunnelimikroskoopin avulla ei voitu tutkia dielektrisiä pintoja, vaan vain johtimia ja puolijohteita, ja jälkimmäisten analysoimiseksi piti luoda merkittävä harvinaisuus niiden ja mikroskoopin anturin välille. Binnig, Gerber ja Quait ymmärsivät, että uuden laitteen luominen oli helpompaa kuin olemassa olevan päivittäminen, joten he keksivät atomivoimamikroskoopin eli AFM:n. Sen toimintaperiaate on radikaalisti erilainen: pinnasta tiedon saamiseksi ei mitata mikroskoopin anturin ja tutkittavan näytteen välillä esiintyvää virran voimakkuutta, vaan niiden välillä syntyvien vetovoimien arvoa, eli heikot ei-kemialliset vuorovaikutukset - van der Waalsin voimat.
Ensimmäinen toimiva AFM-malli oli suhteellisen yksinkertainen. Tutkijat siirsivät timanttikoetinta näytteen pinnan yli, yhdistettynä joustavaan mikromekaaniseen anturiin - kultakalvoulokkeeseen (koettimen ja atomin väliin syntyy vetovoima, uloke taipuu vetovoimasta riippuen ja muuttaa pietsosähköistä muotoa). Ulokkeen taivutusaste määritettiin pietsosähköisillä antureilla - samalla tavalla vinyylilevyn urat ja harjanteet muutetaan äänitallenteeksi. Atomivoimamikroskoopin suunnittelun ansiosta se pystyi havaitsemaan vetovoimat jopa 10–18 newtonia. Vuosi toimivan prototyypin luomisen jälkeen tutkijat onnistuivat saamaan kuvan grafiitin pinnan topografiasta 2,5 angströmin resoluutiolla.
Siitä kuluneiden kolmen vuosikymmenen aikana AFM:llä on tutkittu melkein mitä tahansa kemiallista esinettä - keraamisen materiaalin pinnasta eläviin soluihin ja yksittäisiin molekyyleihin, sekä staattisessa että dynaamisessa tilassa. Atomivoimamikroskopiasta on tullut kemistien ja materiaalitieteilijöiden työhevonen, ja tätä menetelmää käytettävien töiden määrä kasvaa jatkuvasti (kuva 2).
Vuosien varrella tutkijat ovat valinneet olosuhteet sekä kontakti- että kosketuksettomille esineiden tutkimukselle atomivoimamikroskoopilla. Edellä kuvattu kosketusmenetelmä perustuu van der Waalsin vuorovaikutukseen ulokkeen ja pinnan välillä. Toimiessaan kosketuksettomassa tilassa pietsovibraattori herättää anturin värähtelyjä tietyllä taajuudella (useimmiten resonoivalla). Pinnasta vaikuttava voima johtaa siihen, että sekä anturin värähtelyjen amplitudi että vaihe muuttuvat. Huolimatta kosketuksettoman menetelmän joistakin puutteista (ensinkin herkkyys ulkoiselle melulle), juuri tämä menetelmä sulkee pois anturin vaikutuksen tutkittavaan kohteeseen, ja siksi se on kiinnostavampi kemisteille.
Elossa luotain ja jahtaa yhteyksiä
Atomivoimamikroskopia muuttui kosketuksettomaksi vuonna 1998 Binnigin oppilaan Franz Josef Gissiblen työn ansiosta. Hän ehdotti vakaan taajuuden kvartsireferenssioskillaattorin käyttöä ulokkeena. 11 vuoden kuluttua Zürichin IBM-laboratorion tutkijat tekivät toisen muunnoksen kosketuksettomaan AFM:ään: anturi-anturin roolia ei suorittanut terävä timanttikide, vaan yksi molekyyli - hiilimonoksidi. Tämä mahdollisti siirtymisen subatomiseen resoluutioon, kuten Leo Gross IBM:n Zürich-divisioonasta osoitti. Vuonna 2009 hän teki AFM:n avulla näkyviksi ei atomeja, vaan kemiallisia sidoksia saatuaan melko selkeän ja yksiselitteisesti luettavan "kuvan" pentaseenimolekyylistä (kuva 3; Tiede, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/tiede.1176210).
Leo Gross oli vakuuttunut siitä, että kemiallinen sitoutuminen voidaan nähdä AFM:n avulla, ja päätti mennä pidemmälle ja käyttää atomivoimamikroskooppia sidosten pituuksien ja järjestysten mittaamiseen – keskeisiä parametreja kemiallisen rakenteen ja siten aineiden ominaisuuksien ymmärtämiseen.
Muista, että ero sidosjärjestyksissä osoittaa erilaisia elektronitiheyksiä ja erilaisia atomien välisiä etäisyyksiä kahden atomin välillä (yksinkertaisesti sanottuna kaksoissidos on lyhyempi kuin yksinkertainen sidos). Etaanissa hiili-hiili-sidosjärjestys on yksi, eteenissä se on kaksi, ja klassisessa aromaattisessa molekyylissä, bentseenissä, hiili-hiilisidosjärjestys on suurempi kuin yksi, mutta pienempi kuin kaksi, ja sen katsotaan olevan 1,5.
Sidosjärjestyksen määrittäminen on paljon vaikeampaa, kun siirrytään yksinkertaisista aromaattisista järjestelmistä tasomaisiin tai tilaa vieviin polykondensoituihin rengasjärjestelmiin. Näin ollen sidosten järjestys fullereeneissa, jotka koostuvat kondensoiduista viisi- ja kuusijäsenisistä hiilisyklistä, voi olla mikä tahansa arvo yhdestä kahteen. Sama epävarmuus pätee teoreettisesti polysyklisiin aromaattisiin yhdisteisiin.
Vuonna 2012 Leo Gross osoitti yhdessä Fabian Mohnin kanssa, että atomivoimamikroskoopilla, jossa on kosketukseton metallinen hiilimonoksidilla modifioitu koetin, voidaan mitata eroja varausten jakautumisessa atomien välillä ja atomien välisissä etäisyyksissä - eli sidosjärjestykseen liittyvissä parametreissa. ( Tiede, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Tätä varten he tutkivat kahdenlaisia fullereenin kemiallisia sidoksia - hiili-hiili-sidosta, joka on yhteinen kahdelle kuusijäseniselle hiiltä sisältävälle C60-fulereenin syklille, ja hiili-hiili-sidosta, joka on yhteinen viisi- ja kuusijäseniselle. syklit. Atomivoimamikroskooppi osoitti, että kuusijäsenisten renkaiden kondensaatio johtaa sidokseen, joka on lyhyempi ja korkeampi kuin syklisten C6- ja C5-fragmenttien kondensaatio. Kemiallisen sitoutumisen ominaisuuksien tutkimus heksabentsokoroneenissa, jossa vielä kuusi C6-sykliä sijaitsee symmetrisesti keskellä C6-sykliä, vahvisti kvanttikemiallisen mallinnuksen tulokset, joiden mukaan sidosjärjestys N-N keskellä renkaat (kuvassa 4 kirjain i) on oltava suurempi kuin sidokset, jotka yhdistävät tämän renkaan reunasykleihin (kuvassa 4 kirjain j). Samanlaisia tuloksia saatiin myös monimutkaisemmalla polysyklisellä aromaattisella hiilivedyllä, joka sisälsi yhdeksän kuusijäsenistä rengasta.
Sidosjärjestykset ja atomien väliset etäisyydet tietysti kiinnostavat orgaanisia kemistejä, mutta se oli tärkeämpää niille, jotka olivat mukana kemiallisten sidosten teoriassa, reaktiivisuuden ennustamisessa ja kemiallisten reaktioiden mekanismien tutkimisessa. Siitä huolimatta sekä synteettiset kemistit että luonnonyhdisteiden rakenteen tutkijat olivat yllätyksenä: kävi ilmi, että atomivoimamikroskoopilla voidaan määrittää molekyylien rakenne samalla tavalla kuin NMR- tai IR-spektroskopialla. Lisäksi se antaa yksiselitteisen vastauksen kysymyksiin, joita nämä menetelmät eivät pysty selviytymään.
Valokuvauksesta elokuvaan
Vuonna 2010 sama Leo Gross ja Rainer Ebel pystyivät yksiselitteisesti määrittämään luonnollisen yhdisteen - kefalandoli A:n rakenteen, joka on eristetty bakteerista. Dermacoccus abyssi(Luonnon kemia, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Kefalandoli A:n koostumus määritettiin aiemmin massaspektrometrialla, mutta tämän yhdisteen NMR-spektrien analyysi ei antanut yksiselitteistä vastausta kysymykseen sen rakenteesta: neljä varianttia oli mahdollista. Atomivoimamikroskoopilla tutkijat sulkivat heti pois kaksi neljästä rakenteesta ja tekivät oikean valinnan lopuista kahdesta vertaamalla AFM:n ja kvanttikemiallisen mallintamisen tuloksia. Tehtävä osoittautui vaikeaksi: toisin kuin pentaseeni, fullereeni ja koroneenit, kefalandoli A sisältää paitsi hiili- ja vetyatomeja, lisäksi tällä molekyylillä ei ole symmetriatasoa (kuva 5) - mutta tämäkin ongelma ratkesi.
Lisävahvistus siitä, että atomivoimamikroskooppia voitaisiin käyttää analyyttisenä työkaluna, tuli Oskar Kustanzin ryhmältä, joka oli silloin Osakan yliopiston tekniikan korkeakoulussa. Hän osoitti, kuinka AFM:n avulla voidaan erottaa atomit, jotka eroavat toisistaan paljon vähemmän kuin hiili ja vety ( Luonto, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/luonto05530). Kustanz tutki piistä, tinasta ja lyijystä koostuvan seoksen pintaa, jonka kunkin alkuaineen pitoisuus tiedettiin. Lukuisten kokeiden tuloksena hän havaitsi, että AFM-anturin kärjen ja eri atomien väliin muodostuva voima eroaa (kuva 6). Voimakkain vuorovaikutus havaittiin esimerkiksi tutkittaessa piitä ja heikoin vuorovaikutus havaittiin lyijyä tutkittaessa.
Oletetaan, että jatkossa atomivoimamikroskopian tuloksia yksittäisten atomien tunnistamiseksi käsitellään samalla tavalla kuin NMR:n tuloksia - suhteellisten arvojen vertailulla. Koska anturin neulan tarkkaa koostumusta on vaikea hallita, anturin ja eri pintaatomien välisen voiman absoluuttinen arvo riippuu koeolosuhteista ja laitteen merkistä, mutta näiden voimien suhde mihin tahansa koostumukseen ja muotoon. anturi pysyy vakiona jokaiselle kemialliselle elementille.
Vuonna 2013 ilmestyi ensimmäiset esimerkit AFM:n käytöstä kuvien saamiseksi yksittäisistä molekyyleistä ennen ja jälkeen kemiallisia reaktioita: reaktion tuotteista ja välituotteista luodaan "valokuvasarja", joka voidaan sitten asentaa eräänlaiseksi dokumenttifilmiksi ( Tiede, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10,1126/tiede.1238187).
Felix Fisher ja Michael Crommie Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä levittivät hopeaa pintaan 1,2-bis[(2-etynyylifenyyli)etynyyli]bentseeni, kuvasi molekyylejä ja lämmitti pintaa syklisaation aloittamiseksi. Puolet alkuperäisistä molekyyleistä muuttui polysyklisiksi aromaattisiksi rakenteiksi, jotka koostuivat fuusioituneesta viidestä kuusijäsenisestä ja kahdesta viisijäsenisestä renkaasta. Toinen neljäsosa molekyyleistä muodosti rakenteita, jotka koostuivat neljästä kuusijäsenisestä syklistä, jotka oli yhdistetty yhden nelijäsenisen syklin ja kahden viisijäsenisen syklin kautta (kuvio 7). Loput tuotteet olivat oligomeerisiä rakenteita ja vähäisessä määrin polysyklisiä isomeerejä.
Nämä tulokset yllättivät tutkijat kahdesti. Ensinnäkin vain kaksi päätuotetta muodostui reaktion aikana. Toiseksi niiden rakenne yllätti. Fisher huomauttaa, että kemiallinen intuitio ja kokemus mahdollistivat kymmenien mahdollisten reaktiotuotteiden piirtämisen, mutta mikään niistä ei vastannut pinnalle muodostuneita yhdisteitä. On mahdollista, että alkuaineiden vuorovaikutus substraatin kanssa vaikutti epätyypillisten kemiallisten prosessien esiintymiseen.
Luonnollisesti ensimmäisten vakavien kemiallisten sidosten tutkimuksen onnistumisen jälkeen jotkut tutkijat päättivät käyttää AFM:ää havainnoimaan heikompia ja vähemmän tutkittuja molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, erityisesti vetysidoksia. Työ tällä alalla on kuitenkin vasta alussa, ja niiden tulokset ovat ristiriitaisia. Joten joissakin julkaisuissa on raportoitu, että atomivoimamikroskopia mahdollisti vetysidoksen havainnoinnin ( Tiede, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), toisissa he väittävät, että nämä ovat vain esineitä laitteen suunnitteluominaisuuksista johtuen, ja koetuloksia tulisi tulkita huolellisemmin ( Physical Review Letters, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). Ehkä lopullinen vastaus kysymykseen, onko atomivoimamikroskopialla mahdollista havaita vetyä ja muita molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, saadaan jo tällä vuosikymmenellä. Tätä varten on tarpeen kasvattaa AFM-resoluutiota vähintään useita kertoja ja oppia saamaan kuvia ilman kohinaa ( Fyysinen arvostelu B, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).
Yhden molekyylin synteesi
Taitavissa käsissä sekä STM että AFM muuttuvat ainetta tutkivista instrumenteista instrumenteiksi, jotka pystyvät suuntaamaan aineen rakennetta muuttamaan. Näiden laitteiden avulla on jo saatu aikaan "pienimpiä kemiallisia laboratorioita", joissa pullon sijasta käytetään substraattia ja yksittäisiä molekyylejä reaktanttien moolien tai millimoolien sijaan.
Esimerkiksi vuonna 2016 Takashi Kumagain johtama kansainvälinen tutkijaryhmä käytti kosketuksetonta atomivoimamikroskopiaa porfyseenimolekyylin siirtämiseen sen muodosta toiseen ( Luonnon kemia, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porfyseeniä voidaan pitää porfyriinin muunnelmana, jonka sisäkierto sisältää neljä typpiatomia ja kaksi vetyatomia. AFM-koettimen värähtelyt siirsivät tarpeeksi energiaa porfyseenimolekyyliin siirtääkseen nämä vedyt typpiatomista toiseen, ja tuloksena tästä molekyylistä saatiin "peilikuva" (kuva 8).
Väsymättömän Leo Grossin johtama ryhmä osoitti myös, että yhden molekyylin reaktio oli mahdollista käynnistää - he muuttivat dibromiantraseenin kymmenen jäseniseksi sykliseksi diyyniksi (kuva 9; Luonnon kemia, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Toisin kuin Kumagai et al., he käyttivät pyyhkäisytunnelimikroskooppia molekyylin aktivoimiseen, ja reaktion tulosta seurattiin atomivoimamikroskoopilla.
Pyyhkäisytunnelimikroskoopin ja atomivoimamikroskoopin yhdistetty käyttö mahdollisti jopa sellaisen molekyylin saamisen, jota ei voida syntetisoida klassisilla tekniikoilla ja menetelmillä ( Luonnon nanoteknologia, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Tämä kolmio on epästabiili aromaattinen diradikaali, jonka olemassaolo ennustettiin kuusi vuosikymmentä sitten, mutta kaikki synteesiyritykset epäonnistuivat (kuva 10). Niko Pavlicekin ryhmän kemistit saivat halutun yhdisteen poistamalla kaksi vetyatomia sen esiasteesta STM:n avulla ja vahvistamalla synteettisen tuloksen AFM:llä.
Oletetaan, että atomivoimamikroskopian soveltamiseen orgaanisessa kemiassa omistettujen töiden määrä jatkaa kasvuaan. Tällä hetkellä yhä useammat tutkijat yrittävät toistaa reaktion pinnalla tunnettua "liuoskemiaa". Mutta ehkä synteettiset kemistit alkavat toistaa liuoksessa niitä reaktioita, jotka alun perin suoritettiin pinnalla AFM:n avulla.
Elottomasta elävään
Atomivoimamikroskooppien ulokkeita ja antureita voidaan käyttää analyyttisten tutkimusten tai eksoottisten molekyylien synteesin lisäksi myös sovellettavien ongelmien ratkaisemiseen. Tapauksia AFM:n käytöstä lääketieteessä tunnetaan jo esimerkiksi syövän varhaisessa diagnosoinnissa, ja tässä edelläkävijänä on sama Christopher Gerber, joka oli mukana kehittämässä atomivoimamikroskopian periaatetta ja luomassa AFM:ää.
Siten Gerber onnistui opettamaan AFM:n määrittämään ribonukleiinihapon pistemutaation melanoomassa (biopsian tuloksena saadusta materiaalista). Tätä varten atomivoimamikroskoopin kultauloketta modifioitiin oligonukleotideilla, jotka voivat päästä molekyylien väliseen vuorovaikutukseen RNA:n kanssa, ja tämän vuorovaikutuksen voimakkuutta voidaan edelleen mitata pietsosähköisen vaikutuksen ansiosta. AFM-sensorin herkkyys on niin korkea, että sillä tutkitaan jo suositun CRISPR-Cas9 genominmuokkausmenetelmän tehokkuutta. Se kokoaa yhteen eri sukupolvien tutkijoiden luomia teknologioita.
Yhden poliittisen teorian klassikkoa mukaillen voimme sanoa, että näemme jo atomivoimamikroskopian rajattomat mahdollisuudet ja ehtymättömyyden emmekä voi kuvitella, mitä näiden teknologioiden jatkokehityksen yhteydessä on edessä. Mutta vielä nykyäänkin pyyhkäisytunnelimikroskooppi ja atomivoimamikroskooppi antavat meille mahdollisuuden nähdä atomeja ja koskettaa niitä. Voimme sanoa, että tämä ei ole vain silmämme jatke, jonka avulla voimme katsoa atomien ja molekyylien mikrokosmoseen, vaan myös uusia silmiä, uusia sormia, jotka voivat koskettaa tätä mikrokosmosta ja hallita sitä.
