Trurl alkoi vangita atomeja, raaputtamalla niistä elektroneja, vaivaamalla protoneja niin, että vain hänen sormensa välähti, valmisti protonitaikinan, asetti elektroneja sen ympärille ja - seuraavalle atomille; 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. Pyyhkäisevän tunnelointimikroskoopin 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 - Nobel-palkinnon vuonna hän aloitti yhdessä IBM Zürichin tutkimuskeskuksessa työskennelleiden Christopher Gerberin ja Calvin Quaytin kanssa työskennellä toisella mikromaailman tutkimiseen tarkoitetulla laitteella, jossa ei ollut puutteita. jotka ovat luontaisia STM:lle. Tosiasia on, että pyyhkäisytunnelointimikroskoopin avulla oli mahdotonta 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 vanhan 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 timanttilaetinta näytteen pinnan yli, yhdistettynä joustavaan mikromekaaniseen anturiin - kultakalvokonsoliin (koettimen ja atomin välillä tapahtuu vetovoimaa, 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.
Sen jälkeen 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. Yllä 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 ilmaisee 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 kondensoituneista viisi- ja kuusijäsenisistä hiilisyklistä, voi saada minkä tahansa arvon yhdestä kahteen. Sama epävarmuus pätee teoreettisesti polysyklisiin aromaattisiin yhdisteisiin.
Vuonna 2012 Leo Gross yhdessä Fabian Mohnin kanssa osoitti, 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/tiede.1225621).
Tätä varten he tutkivat kahdentyyppisiä kemiallisia sidoksia fullereenissa - 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 kuusi muuta C6-sykliä on symmetrisesti sijoitettu keskimmäisen C6-syklin ympärille, vahvisti kvanttikemiallisen mallinnuksen tulokset, joiden mukaan keskusrenkaan C-C-sidosten järjestys (kuvassa 1). 4, kirje 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 asiantuntijat olivat yllätyksenä: kävi ilmi, että atomivoimamikroskoopilla voidaan määrittää molekyylien rakenne samalla tavalla kuin NMR- tai IR-spektroskopialla. Lisäksi se antaa yksiselitteisen vastauksen kysymyksiin, joihin 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). Joten esimerkiksi vahvin vuorovaikutus havaittiin tutkittaessa piitä ja heikoin - 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 reaktion aikana muodostui vain kaksi päätuotetta. Toiseksi niiden rakenne yllätti. Fisher toteaa, 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 joissain 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 kokeellisia tuloksia 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 reaktanttien moolien tai millimoolien sijaan yksittäisiä molekyylejä.
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-anturin värähtelyt siirsivät tarpeeksi energiaa porfyseenimolekyyliin näiden vedyn siirtämiseksi 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. AFM:n käyttötapaukset lääketieteessä ovat jo tiedossa esimerkiksi syövän varhaisessa diagnosoinnissa, ja tässä edelläkävijänä on sama Christopher Gerber, joka osallistui atomivoimamikroskopian periaatteen kehittämiseen ja AFM:n luomiseen.
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 voidaan sanoa, että näemme jo nyt atomivoimamikroskopian rajattomat mahdollisuudet ja ehtymättömyyden ja tuskin pystymme kuvittelemaan, 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.
Atomi (kreikan sanasta "jakamaton") on aikoinaan pienin mikroskooppisen kokoinen aineen 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
Tässä valokuvassa katsot ensimmäistä suoraa kuvaa elektronin kiertoradastaan atomin ympärillä – itse asiassa atomin aaltofunktiota!
Ottaakseen valokuvan vetyatomin kiertoradan rakenteesta tutkijat käyttivät uusinta kvanttimikroskooppia, uskomatonta laitetta, jonka avulla tutkijat voivat kurkistaa kvanttifysiikan maailmaan.
Atomin avaruuden kiertoratarakenne on miehitetty elektronilla. Mutta kuvaillessaan näitä aineen mikroskooppisia ominaisuuksia, tiedemiehet luottavat aaltofunktioihin, matemaattisiin tapoihin kuvata hiukkasten kvanttitiloja, nimittäin kuinka ne käyttäytyvät avaruudessa ja ajassa.
Kvanttifysiikassa käytetään yleensä kaavoja, kuten Schrödingerin yhtälö, kuvaamaan hiukkasten tiloja.
Esteitä tutkijoiden tiellä
Tähän mennessä tiedemiehet eivät ole koskaan havainneet aaltofunktiota. Yksinäisen elektronin tarkan sijainnin tai vauhdin yrittäminen vangita oli kuin yrittäisi saada kiinni kärpäsparven. Suorat havainnot vääristyivät erittäin epämiellyttävän ilmiön - kvanttikoherenssin - takia.
Kaikkien kvanttitilojen mittaamiseksi tarvitset instrumentin, joka pystyy mittaamaan monia hiukkasen tiloja ajan mittaan.
Mutta kuinka lisätä kvanttihiukkasen jo ennestään mikroskooppista tilaa? Vastauksen löysi joukko kansainvälisiä tutkijoita. Kvanttimikroskoopilla, laitteella, joka käyttää fotoionisaatiota tarkkailemaan suoraan atomirakenteita.
Suositussa Physical Review Letters -lehdessä julkaistussa artikkelissaan Aneta Stodolna Alankomaiden molekyylifysiikan instituutista (AMOLF) kuvailee, kuinka hän ja hänen tiiminsä saivat staattiseen sähkökenttään sijoitetun vetyatomint.
Työtapa
Laserpulsseilla säteilytyksen jälkeen ionisoidut elektronit jättivät kiertoradansa ja putosivat mitattua lentorataa pitkin 2D-detektoriin (kaksoismikrokanavalevy. Ilmaisin sijaitsee kohtisuorassa itse kenttää vastaan). On olemassa monia lentoratoja, joita pitkin elektronit voivat kulkea ennen törmäystä ilmaisimeen. Tämä tarjoaa tutkijoille joukon häiriökuvioita, malleja, jotka heijastavat aaltofunktion solmurakennetta.
Tutkijat käyttivät sähköstaattista linssiä, joka suurentaa elektronien lähtevän aallon yli 20 000 kertaa.
Vetyatomi vangitsee elektronipilviä. Ja vaikka nykyaikaiset fyysikot voivat jopa määrittää protonin muodon kiihdyttimien avulla, vetyatomi jää ilmeisesti pienimmäksi esineeksi, jonka kuvaa on järkevää kutsua valokuvaksi. "Lenta.ru" esittelee yleiskatsauksen nykyaikaisista mikromaailman valokuvausmenetelmistä.
Tarkkaan ottaen tavallista valokuvaamista ei nykyään ole juurikaan jäljellä. Kuvat, joita kutsumme tavallisesti valokuviksi ja jotka löytyvät esimerkiksi mistä tahansa Lenta.ru-valokuvaesseestä, ovat itse asiassa tietokonemalleja. Erikoislaitteessa oleva valoherkkä matriisi (perinteisesti sitä kutsutaan edelleen "kameraksi") määrittää valon intensiteetin tilajakauman useilla eri spektrialueilla, ohjauselektroniikka tallentaa nämä tiedot digitaalisessa muodossa ja sitten toinen elektroninen piiri, joka perustuu antaa näille tiedoille komennon nestekidenäytön transistoreille. Kalvo, paperi, erikoisratkaisut niiden käsittelyyn - kaikesta tästä on tullut eksoottista. Ja jos muistamme sanan kirjaimellisen merkityksen, niin valokuvaus on "valomaalausta". Joten mitä sanoa, että tiedemiehet onnistuivat valokuvaamaan atomi, on mahdollista vain kohtuullisella määrällä konventionaalisuutta.
Yli puolet kaikista tähtitieteellisistä kuvista on jo pitkään otettu infrapuna-, ultravioletti- ja röntgenteleskoopeilla. Elektronimikroskoopit eivät säteilytä valolla, vaan elektronisuihkulla, kun taas atomivoimamikroskoopit skannaavat näytteen kohokuviota neulalla. On röntgenmikroskoopit ja magneettikuvausskannerit. Kaikki nämä laitteet antavat meille tarkkoja kuvia erilaisista kohteista, ja huolimatta siitä, että tässä ei tietenkään ole tarpeen puhua "valomaalauksesta", sallimme itsemme kutsua tällaisia kuvia valokuviksi.
Fyysikkojen kokeet protonin muodon tai kvarkkien jakautumisen määrittämiseksi hiukkasten sisällä jäävät kulissien taakse; tarinamme rajoittuu atomien mittakaavaan.
Optiikka ei vanhene koskaan
Kuten 1900-luvun jälkipuoliskolla kävi ilmi, optisilla mikroskoopeilla on vielä tilaa kehittyä. Ratkaiseva hetki biologisessa ja lääketieteellisessä tutkimuksessa oli fluoresoivien väriaineiden ja menetelmien ilmaantuminen, jotka mahdollistavat tiettyjen aineiden valikoivan merkitsemisen. Se ei ollut "vain uusi maali", se oli todellinen vallankumous.
Vastoin yleistä väärinkäsitystä fluoresenssi ei ole ollenkaan hehkua pimeässä (jälkimmäistä kutsutaan luminesenssiksi). Tämä on ilmiö, jossa tietyn energian kvantit (esimerkiksi sininen valo) imeytyvät, minkä seurauksena muiden, alhaisemman energian kvanttien ja vastaavasti erilaisen valon säteily (kun sininen absorboituu, vihreä säteilee). Jos laitat suodattimen, joka päästää vain väriaineen emittoiman kvantin läpi ja estää fluoresenssia aiheuttavan valon, näet tumman taustan kirkkaine väripilkkuineen, ja väriaineet puolestaan voivat värjätä näytteen erittäin valikoivasti. .
Voit esimerkiksi värjätä hermosolun sytoskeleton punaiseksi, korostaa synapsit vihreällä ja korostaa ytimen sinisellä. Voit tehdä fluoresoivan leiman, jonka avulla voit havaita kalvon proteiinireseptoreita tai solun syntetisoimia molekyylejä tietyissä olosuhteissa. Immunohistokemiallinen värjäysmenetelmä on mullistanut biologian tieteen. Ja kun geenitekniikat oppivat valmistamaan siirtogeenisiä eläimiä fluoresoivilla proteiineilla, tämä menetelmä koki uudestisyntymisen: esimerkiksi hiiristä, joiden neuronit oli maalattu eri väreillä, tuli todellisuutta.
Lisäksi insinöörit keksivät (ja harjoittivat) niin sanotun konfokaalimikroskopian menetelmää. Sen olemus piilee siinä, että mikroskooppi keskittyy erittäin ohueen kerrokseen ja erityinen kalvo katkaisee tämän kerroksen ulkopuolella olevien esineiden luoman valon. Tällainen mikroskooppi pystyy skannaamaan näytteen peräkkäin ylhäältä alas ja saada kuvapinon, joka on valmiina pohjana kolmiulotteiselle mallille.
Lasereiden ja kehittyneiden optisten säteen ohjausjärjestelmien avulla on voitu ratkaista värin haalistuminen ja herkkien biologisten näytteiden kuivuminen kirkkaassa valossa: lasersäde skannaa näytteen vain silloin, kun se on tarpeen kuvantamista varten. Ja jotta ei tuhlata aikaa ja vaivaa suuren valmisteen tutkimiseen kapealla näkökentällä varustetun okulaarin läpi, insinöörit ehdottivat automaattista skannausjärjestelmää: voit laittaa lasin näytteen kanssa nykyaikaisen mikroskoopin objektitasolle, ja laite ottaa itsenäisesti laajan panoraaman koko näytteestä. Samanaikaisesti hän tarkentaa oikeissa paikoissa ja liimaa sitten monta kehystä yhteen.
Jotkut mikroskoopit voivat ottaa käyttöön eläviä hiiriä, rottia tai ainakin pieniä selkärangattomia. Toiset lisäävät hieman, mutta ne yhdistetään röntgenlaitteeseen. Monet niistä on asennettu useita tonneja painaville erikoispöydille, joiden mikroilmasto on tarkkaan hallittu tärinän häiriöiden poistamiseksi. Tällaisten järjestelmien hinta ylittää muiden elektronimikroskooppien kustannukset, ja kauneimman kehyksen kilpailuista on tullut pitkään perinne. Lisäksi optiikan parantaminen jatkuu: parhaiden lasityyppien etsinnästä ja optimaalisten linssiyhdistelmien valinnasta insinöörit ovat siirtyneet kohti valon tarkennustapoja.
Olemme erityisesti listanneet joukon teknisiä yksityiskohtia osoittaaksemme, että biologisen tutkimuksen edistyminen on pitkään yhdistetty muiden alueiden edistymiseen. Jos ei olisi tietokoneita, jotka pystyisivät automaattisesti laskemaan värjäytyneiden solujen määrän useissa sadoissa valokuvissa, supermikroskoopeista ei olisi juurikaan hyötyä. Ja ilman fluoresoivia väriaineita kaikki miljoonat solut olisivat mahdottomia erottaa toisistaan, joten uusien muodostumista tai vanhojen kuolemaa olisi lähes mahdotonta seurata.
Itse asiassa ensimmäinen mikroskooppi oli puristin, johon oli kiinnitetty pallomainen linssi. Tällaisen mikroskoopin analogi voi olla yksinkertainen pelikortti, johon on tehty reikä ja vesipisara. Joidenkin raporttien mukaan kultakaivostyöntekijät käyttivät tällaisia laitteita Kolymassa jo viime vuosisadalla.
Diffraktiorajan yli
Optisilla mikroskoopeilla on perustavanlaatuinen haittapuoli. Tosiasia on, että niiden esineiden muotoa, jotka osoittautuivat paljon pienemmiksi kuin aallonpituus, on mahdotonta palauttaa valoaaltojen muodosta: voit yhtä hyvin yrittää tutkia materiaalin hienoa rakennetta kädelläsi. paksu hitsauskäsine.
Diffraktion aiheuttamat rajoitukset on osittain voitettu ja fysiikan lakeja rikkomatta. Kaksi seikkaa auttavat optisia mikroskooppeja sukeltamaan diffraktioesteen alle: se, että fluoresenssin aikana yksittäiset värimolekyylit lähettävät kvantteja (jotka voivat olla melko kaukana toisistaan) ja se, että valoaaltoja asettamalla voidaan saada kirkas valo. täplä, jonka halkaisija on pienempi kuin aallonpituus.
Toistensa päälle asetettuna valoaallot pystyvät kumoamaan toisensa, joten näytteen valaistusparametrit ovat sellaiset, että pienin mahdollinen alue putoaa kirkkaalle alueelle. Yhdessä matemaattisten algoritmien kanssa, jotka voivat esimerkiksi poistaa haamukuvia, tällainen suunnattu valaistus parantaa kuvanlaatua dramaattisesti. On mahdollista esimerkiksi tutkia solunsisäisiä rakenteita optisella mikroskoopilla ja jopa (yhdistämällä kuvattu menetelmä konfokaalimikroskopiaan) saada niiden kolmiulotteiset kuvat.
Elektronimikroskooppi ennen elektronisia instrumentteja
Atomien ja molekyylien löytämiseksi tutkijoiden ei tarvinnut katsoa niitä – molekyyliteorian ei tarvinnut nähdä objektia. Mutta mikrobiologia tuli mahdolliseksi vasta mikroskoopin keksimisen jälkeen. Siksi mikroskoopit yhdistettiin aluksi nimenomaan lääketieteeseen ja biologiaan: fyysikot ja kemistit, jotka tutkivat paljon pienempiä esineitä, joita hoidettiin muilla keinoin. Kun haluttiin tarkastella myös mikrokosmosta, diffraktiorajoituksista tuli vakava ongelma, varsinkin kun edellä kuvatut fluoresenssimikroskoopin menetelmät olivat vielä tuntemattomia. Ja ei ole mitään järkeä nostaa resoluutiota 500 nanometristä 100 nanometriin, jos tarkasteltava kohde on vielä pienempi!
Saksalaiset fyysikot loivat elektronilinssin vuonna 1926, koska tiesivät, että elektronit voivat käyttäytyä sekä aaltona että hiukkasena. Sen taustalla oleva ajatus oli hyvin yksinkertainen ja jokaiselle koululaiselle ymmärrettävä: koska sähkömagneettinen kenttä poikkeuttaa elektroneja, sen avulla voidaan muuttaa näiden hiukkasten säteen muotoa vetämällä niitä erilleen tai päinvastoin pienentää hiukkasten halkaisijaa. palkki. Viisi vuotta myöhemmin, vuonna 1931, Ernst Ruska ja Max Knoll rakensivat maailman ensimmäisen elektronimikroskoopin. Laitteessa näyte valaistiin ensin elektronisäteellä, jonka jälkeen elektronilinssi laajensi läpi kulkenutta sädettä ennen kuin se putosi erityiselle luminoivalle näytölle. Ensimmäinen mikroskooppi antoi vain 400-kertaisen suurennuksen, mutta valon korvaaminen elektroneilla avasi tietä satojatuhansia kertoja suurennuksella kuvaamiseen: suunnittelijoiden täytyi voittaa vain muutama tekninen este.
Elektronimikroskoopilla oli mahdollista tutkia solujen rakennetta sellaisessa laadussa, jota ei aiemmin ollut saavutettu. Mutta tästä kuvasta on mahdotonta ymmärtää solujen ikää ja tiettyjen proteiinien esiintymistä niissä, ja tämä tieto on erittäin tarpeellista tutkijoille.
Elektronimikroskoopit mahdollistavat nyt lähikuvia viruksista. Laitteista on olemassa erilaisia muunnoksia, joiden avulla ei voida vain loistaa ohuiden osien läpi, vaan myös tarkastella niitä "heijastuneessa valossa" (tietenkin heijastuneissa elektroneissa). Emme puhu yksityiskohtaisesti kaikista mikroskooppien vaihtoehdoista, mutta huomaamme, että viime aikoina tutkijat ovat oppineet palauttamaan kuvan diffraktiokuviosta.
Kosketa, älä näe
Toinen vallankumous tapahtui "valaise ja katso" -periaatteesta poikkeamisen kustannuksella. Atomivoimamikroskooppi, samoin kuin pyyhkäisytunnelimikroskooppi, eivät enää paista näytteiden pinnalle. Sen sijaan pinnan poikki liikkuu erityisen ohut neula, joka kirjaimellisesti pomppii jopa yhden atomin kokoisiin kuoppiin.
Menemättä kaikkien tällaisten menetelmien yksityiskohtiin, panemme merkille pääasia: tunnelimikroskoopin neulaa ei voida vain siirtää pintaa pitkin, vaan sitä voidaan käyttää myös atomien järjestämiseen paikasta toiseen. Näin tiedemiehet luovat kirjoituksia, piirroksia ja jopa sarjakuvia, joissa piirretty poika leikkii atomilla. Todellinen ksenonatomi, jota vetää pyyhkäisytunnelimikroskoopin kärki.
Tunnelointimikroskooppia kutsutaan siksi, että se käyttää neulan läpi virtaavan tunnelointivirran vaikutusta: elektronit kulkevat neulan ja pinnan välisen raon läpi kvanttimekaniikan ennustaman tunnelointivaikutuksen vuoksi. Tämä laite vaatii tyhjiön toimiakseen.
Atomivoimamikroskooppi (AFM) on paljon vähemmän vaativa ympäristöolosuhteille - se voi (useita rajoituksia lukuun ottamatta) toimia ilman ilman pumppausta. Tietyssä mielessä AFM on gramofonin nanoteknologian seuraaja. Neula, joka on asennettu ohueen ja joustavaan ulokekannattimeen ( uloke ja siellä on "suluke"), liikkuu pintaa pitkin syöttämättä siihen jännitettä ja seuraa näytteen kohokuviota samalla tavalla kuin gramofonineula seuraa gramofonilevyn uria. Ulokkeen taivutus saa siihen kiinnitetyn peilin poikkeamaan, peili poikkeaa lasersäteen, jolloin tutkittavan näytteen muoto voidaan määrittää erittäin tarkasti. Tärkeintä on, että sinulla on melko tarkka järjestelmä neulan siirtämiseen sekä neulojen tarjonta, joiden on oltava täysin teräviä. Tällaisten neulojen päiden kaarevuussäde ei saa ylittää yhtä nanometriä.
AFM mahdollistaa yksittäisten atomien ja molekyylien näkemisen, mutta tunnelointimikroskoopin tapaan se ei anna sinun katsoa näytteen pinnan alle. Toisin sanoen tutkijoiden on valittava näkevätkö atomit vai voivatko tutkia koko objektia. Optisilla mikroskoopeillakaan tutkittujen näytteiden sisäosat eivät kuitenkaan aina pääse käsiksi, koska mineraalit tai metallit läpäisevät valoa yleensä huonosti. Lisäksi atomien kuvaamisessa on edelleen vaikeuksia - nämä esineet näyttävät yksinkertaisilta palloilta, elektronipilvien muoto ei näy sellaisissa kuvissa.
Synkrotronisäteily, joka syntyy kiihdyttimien hajottamien varautuneiden hiukkasten hidastuessa, mahdollistaa esihistoriallisten eläinten kivettyneiden jäänteiden tutkimisen. Kääntelemällä näytettä röntgensäteiden alla saadaan kolmiulotteisia tomogrammeja - näin esimerkiksi 300 miljoonaa vuotta sitten sukupuuttoon kuolleiden kalojen aivot löydettiin kallon sisältä. Pystyt ilman kiertoa, jos läpäisevän säteilyn rekisteröinti tapahtuu kiinnittämällä diffraktiosta hajallaan olevat röntgensäteet.
Ja tämä ei ole kaikki röntgensäteiden avaamat mahdollisuudet. Sillä säteilytettäessä monet materiaalit fluoresoivat, ja aineen kemiallinen koostumus voidaan määrittää fluoresenssin luonteen mukaan: tällä tavalla tiedemiehet värjäävät muinaisia esineitä, Arkhimedesen keskiajalla pyyhittyjä teoksia tai pitkään sukupuuttoon kuolleiden lintujen höyhenet.
Atomien esittäminen
Kaikkia röntgen- tai optisten fluoresenssimenetelmien tarjoamia mahdollisuuksia vasten uusi tapa kuvata yksittäisiä atomeja ei enää vaikuta niin suurelta tieteen läpimurrolta. Tällä viikolla esiteltyjen kuvien saamisen mahdollistaneen menetelmän ydin on seuraava: ionisoiduista atomeista poimitaan elektroneja ja lähetetään erityiseen ilmaisimeen. Jokainen ionisaatiotoiminto irrottaa elektronin tietystä paikasta ja antaa yhden pisteen "valokuvassa". Kerättyään useita tuhansia tällaisia pisteitä, tutkijat muodostivat kuvan, joka näyttää todennäköisimpiä paikkoja elektronin löytämiseksi atomin ytimen ympäriltä, ja tämä on määritelmän mukaan elektronipilvi.
Lopuksi sanotaan, että kyky nähdä yksittäisiä atomeja elektronipilvineen on enemmän kuin kirsikka kakun päällä modernissa mikroskopiassa. Tutkijoille oli tärkeää tutkia materiaalien rakennetta, tutkia soluja ja kiteitä, ja tästä syntyvä teknologioiden kehitys mahdollisti vetyatomin saavuttamisen. Kaikki vähempi on jo alkuainehiukkasfysiikan asiantuntijoiden kiinnostuksen kohteena. Ja biologeilla, materiaalitieteilijöillä ja geologeilla on vielä tilaa parantaa mikroskooppeja jopa melko vaatimattomalla suurennuksella atomeihin verrattuna. Esimerkiksi neurofysiologian asiantuntijat ovat pitkään halunneet laitetta, joka näkee yksittäisiä soluja elävien aivojen sisällä, ja roverien luojat myivät sielunsa elektronimikroskoopista, joka mahtuisi avaruusalukseen ja voisi toimia Marsissa.
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 sijainnin (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.
Hollantilaisen AMOLF-tutkimuslaitoksen fyysikot ovat esitelleet uuden menetelmän, joka ei vaadi mitään "uudelleenrakentamista", ja julkaisivat 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. Kvanttimekaniikalla on niin vähän tekemistä ihmisten jokapäiväisen elämän kanssa, että tuskin kukaan olisi ajatellut saada todellista valokuvaa kvanttivuorovaikutuksista atomissa", sanoo Aneta Stodolna, tutkimuksen johtava kirjoittaja. Hän väittää myös, että kehitetyllä tekniikalla voi olla myös käytännön sovelluksia, esimerkiksi luoda atomin paksuisia johtimia, kehittää molekyylilankojen teknologiaa, 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.
