Comme vous le savez, tout ce qui est matériel dans l'Univers est composé d'atomes. Un atome est la plus petite unité de matière qui porte ses propriétés. À son tour, la structure d'un atome est constituée d'une trinité magique de microparticules : protons, neutrons et électrons.
De plus, chacune des microparticules est universelle. Autrement dit, vous ne pouvez pas trouver deux protons, neutrons ou électrons différents dans le monde. Tous sont absolument similaires les uns aux autres. Et les propriétés de l'atome ne dépendront que de la composition quantitative de ces microparticules dans la structure générale de l'atome.
Par exemple, la structure d'un atome d'hydrogène est constituée d'un proton et d'un électron. Ensuite en complexité, l'atome d'hélium est composé de deux protons, de deux neutrons et de deux électrons. Un atome de lithium est composé de trois protons, quatre neutrons et trois électrons, etc.
Structure des atomes (de gauche à droite) : hydrogène, hélium, lithium
Les atomes se combinent en molécules, et les molécules se combinent en substances, minéraux et organismes. La molécule d'ADN, qui est la base de toute vie, est une structure assemblée à partir des trois mêmes blocs de construction magiques de l'univers que la pierre posée sur la route. Bien que cette structure soit beaucoup plus complexe.
Des faits encore plus étonnants sont révélés lorsque nous essayons d'examiner de plus près les proportions et la structure du système atomique. On sait qu'un atome est constitué d'un noyau et d'électrons se déplaçant autour de lui le long d'une trajectoire décrivant une sphère. C'est-à-dire qu'on ne peut même pas l'appeler un mouvement au sens habituel du terme. L'électron est plutôt localisé partout et immédiatement à l'intérieur de cette sphère, créant un nuage d'électrons autour du noyau et formant un champ électromagnétique.
Représentations schématiques de la structure de l'atome
Le noyau d'un atome est constitué de protons et de neutrons, et presque toute la masse du système y est concentrée. Mais en même temps, le noyau lui-même est si petit que si vous augmentez son rayon à une échelle de 1 cm, le rayon de toute la structure de l'atome atteindra des centaines de mètres. Ainsi, tout ce que nous percevons comme matière dense se compose de plus de 99% des connexions énergétiques entre les particules physiques seules et de moins de 1% des formes physiques elles-mêmes.
Mais quelles sont ces formes physiques ? De quoi sont-ils faits et de quelle matière sont-ils ? Pour répondre à ces questions, examinons de plus près les structures des protons, des neutrons et des électrons. Ainsi, nous descendons un pas de plus dans les profondeurs du microcosme - au niveau des particules subatomiques.
De quoi est composé un électron ?
La plus petite particule d'un atome est un électron. Un électron a une masse mais pas de volume. Du point de vue scientifique, l'électron ne consiste en rien, mais est un point sans structure.
Un électron ne peut pas être vu au microscope. Il n'est observé que sous la forme d'un nuage d'électrons, qui ressemble à une sphère floue autour du noyau atomique. En même temps, il est impossible de dire avec précision où se trouve l'électron à un moment donné. Les appareils sont capables de capturer non pas la particule elle-même, mais seulement sa trace énergétique. L'essence de l'électron n'est pas ancrée dans le concept de matière. C'est un peu comme une forme vide qui n'existe que dans et par le mouvement.
Aucune structure n'a encore été trouvée dans l'électron. C'est la même particule ponctuelle que le quantum d'énergie. En fait, un électron est de l'énergie, cependant, c'est sa forme la plus stable que celle représentée par les photons de lumière.
À l'heure actuelle, l'électron est considéré comme indivisible. C'est compréhensible, car il est impossible de diviser quelque chose qui n'a pas de volume. Cependant, il y a déjà des développements dans la théorie, selon laquelle la composition d'un électron contient une trinité de quasi-particules telles que :
- Orbiton - contient des informations sur la position orbitale de l'électron ;
- Spinon - responsable de la rotation ou du couple ;
- Holon - contient des informations sur la charge d'un électron.
Or, comme on le voit, les quasi-particules n'ont absolument rien de commun avec la matière, et ne véhiculent que de l'information.
Photographies d'atomes de différentes substances dans un microscope électronique
Fait intéressant, un électron peut absorber des quanta d'énergie, comme la lumière ou la chaleur. Dans ce cas, l'atome passe à un nouveau niveau d'énergie et les limites du nuage d'électrons se dilatent. Il arrive aussi que l'énergie absorbée par un électron soit si grande qu'il puisse sauter hors du système atomique et continuer son mouvement en tant que particule indépendante. En même temps, il se comporte comme un photon de lumière, c'est-à-dire qu'il semble cesser d'être une particule et commence à présenter les propriétés d'une onde. Cela a été prouvé dans une expérience.
L'expérience de Young
Au cours de l'expérience, un flux d'électrons a été dirigé sur un écran percé de deux fentes. En passant par ces fentes, les électrons sont entrés en collision avec la surface d'un autre écran de projection, y laissant leur marque. À la suite de ce "bombardement" d'électrons, un motif d'interférence est apparu sur l'écran de projection, similaire à celui qui apparaîtrait si des ondes, mais pas des particules, traversaient deux fentes.
Un tel motif se produit du fait que l'onde, passant entre les deux fentes, est divisée en deux ondes. À la suite d'un mouvement supplémentaire, les vagues se chevauchent et, dans certaines zones, elles s'annulent. En conséquence, nous obtenons de nombreuses rayures sur l'écran de projection, au lieu d'une, comme ce serait le cas si l'électron se comportait comme une particule.
La structure du noyau d'un atome : protons et neutrons
Les protons et les neutrons constituent le noyau d'un atome. Et malgré le fait que dans le volume total le noyau occupe moins de 1%, c'est dans cette structure que presque toute la masse du système est concentrée. Mais au détriment de la structure des protons et des neutrons, les physiciens sont divisés et il existe actuellement deux théories à la fois.
- Théorie #1 - Standard
Le modèle standard dit que les protons et les neutrons sont constitués de trois quarks reliés par un nuage de gluons. Les quarks sont des particules ponctuelles, tout comme les quanta et les électrons. Et les gluons sont des particules virtuelles qui assurent l'interaction des quarks. Cependant, ni quarks ni gluons n'ont été trouvés dans la nature, ce modèle est donc soumis à de sévères critiques.
- Théorie #2 - Alternative
Mais selon la théorie alternative du champ unifié développée par Einstein, le proton, comme le neutron, comme toute autre particule du monde physique, est un champ électromagnétique tournant à la vitesse de la lumière.
Champs électromagnétiques de l'homme et de la planète
Quels sont les principes de la structure de l'atome ?
Tout dans le monde - subtil et dense, liquide, solide et gazeux - n'est que les états énergétiques d'innombrables champs qui imprègnent l'espace de l'Univers. Plus le niveau d'énergie dans le champ est élevé, plus il est fin et moins perceptible. Plus le niveau d'énergie est bas, plus il est stable et tangible. Dans la structure de l'atome, ainsi que dans la structure de toute autre unité de l'Univers, réside l'interaction de tels champs - différents en densité d'énergie. Il s'avère que la matière n'est qu'une illusion de l'esprit.
Un atome (du grec « indivisible ») est autrefois la plus petite particule de matière de dimensions microscopiques, la plus petite partie d'un élément chimique qui porte ses propriétés. Les constituants de l'atome - protons, neutrons, électrons - n'ont plus ces propriétés et les forment ensemble. Les atomes covalents forment des molécules. Les scientifiques étudient les caractéristiques de l'atome, et bien qu'ils soient déjà assez bien étudiés, ils ne manquent pas l'occasion de trouver quelque chose de nouveau - en particulier dans le domaine de la création de nouveaux matériaux et de nouveaux atomes (poursuivant le tableau périodique). 99,9% de la masse d'un atome se trouve dans le noyau.
Ne soyez pas intimidé par le titre. Le trou noir, créé accidentellement par le personnel du National Accelerator Laboratory SLAC, s'est avéré n'avoir qu'un seul atome de taille, donc rien ne nous menace. Et le nom de "trou noir" ne décrit que de loin le phénomène observé par les chercheurs. Nous vous avons parlé à plusieurs reprises du laser à rayons X le plus puissant au monde, appelé
Cependant, photographier l'atome lui-même, et non une partie de celui-ci, était une tâche extrêmement difficile, même avec les appareils les plus sophistiqués.
Le fait est que selon les lois de la mécanique quantique, il est impossible de déterminer avec la même précision toutes les propriétés d'une particule subatomique. Cette section de physique théorique est construite sur le principe d'incertitude de Heisenberg, qui stipule qu'il est impossible de mesurer les coordonnées et l'impulsion d'une particule avec la même précision - des mesures précises d'une propriété modifieront certainement les données sur l'autre.
Par conséquent, au lieu de déterminer l'emplacement (coordonnées des particules), la théorie quantique propose de mesurer la fonction dite d'onde.
La fonction d'onde fonctionne à peu près de la même manière qu'une onde sonore. La seule différence est que la description mathématique d'une onde sonore détermine le mouvement des molécules dans l'air à un certain endroit, et la fonction d'onde décrit la probabilité qu'une particule apparaisse à un endroit ou à un autre selon l'équation de Schrödinger.
Mesurer la fonction d'onde n'est pas facile non plus (les observations directes la font s'effondrer), mais les physiciens théoriciens peuvent prédire approximativement ses valeurs.
Il est possible de mesurer expérimentalement tous les paramètres de la fonction d'onde uniquement si elle est collectée à partir de mesures destructives séparées effectuées sur des systèmes d'atomes ou de molécules complètement identiques.
Physiciens néerlandais Institut de recherche AMOLF a présenté une nouvelle méthode qui ne nécessite aucune "reconstruction" et a publié les résultats de ses travaux dans la revue Physical Review Letters. Leur méthodologie est basée sur une hypothèse de 1981 de trois physiciens théoriciens soviétiques, ainsi que sur des recherches plus récentes.
Au cours de l'expérience, l'équipe de scientifiques a dirigé deux faisceaux laser sur des atomes d'hydrogène placés dans une chambre spéciale. À la suite d'un tel impact, les électrons ont quitté leurs orbites à la vitesse et dans la direction déterminées par leurs fonctions d'onde. Un fort champ électrique dans la chambre, où se trouvaient les atomes d'hydrogène, a envoyé des électrons à certaines parties du détecteur planaire (plat).
La position des électrons frappant le détecteur était déterminée par leur vitesse initiale, et non par leur position dans la chambre. Ainsi, la distribution des électrons sur le détecteur a informé les scientifiques de la fonction d'onde de ces particules, qu'ils avaient lorsqu'ils ont quitté l'orbite autour du noyau de l'atome d'hydrogène.
Les mouvements des électrons ont été affichés sur un écran phosphorescent sous forme d'anneaux sombres et clairs, que les scientifiques ont photographiés avec un appareil photo numérique à haute résolution.
"Nous sommes très satisfaits de nos résultats. Mécanique quantique a si peu à voir avec la vie quotidienne des gens que presque personne n'aurait pensé à obtenir une vraie photographie des interactions quantiques dans l'atome », explique Aneta Stodolna, auteur principal de l'étude. Elle soutient également que la technique développée peut avoir utilisation pratique, par exemple, pour créer des conducteurs aussi épais qu'un atome, le développement de la technologie des fils moléculaires, qui améliorera considérablement les appareils électroniques modernes.
"Il est à noter que l'expérience a été réalisée sur l'hydrogène, qui est à la fois la substance la plus simple et la plus courante de notre Univers. Il faudra comprendre si cette technique peut être appliquée à des atomes plus complexes. Si oui, alors c'est un grande percée qui nous permettra de développer non seulement l'électronique, mais aussi la nanotechnologie », explique Jeff Lundeen de l'Université d'Ottawa, qui n'a pas participé à l'étude.
Cependant, les scientifiques eux-mêmes qui ont mené l'expérience ne pensent pas au côté pratique de la question. Ils pensent que leur découverte concerne principalement la science fondamentale, ce qui contribuera à transférer davantage de connaissances aux futures générations de physiciens.
Des physiciens des États-Unis ont réussi à capturer des atomes individuels sur une photo avec une résolution record, rapporte Day.Az en référence à Vesti.ru
Des scientifiques de l'Université Cornell aux États-Unis ont réussi à capturer des atomes individuels sur une photo avec une résolution record de moins d'un demi-angström (0,39 Å). Les photographies précédentes avaient la moitié de la résolution - 0,98 Å.
Les microscopes électroniques puissants qui peuvent voir les atomes existent depuis un demi-siècle, mais leur résolution est limitée par la longue longueur d'onde de la lumière visible, qui est supérieure au diamètre d'un atome moyen.
Par conséquent, les scientifiques utilisent une sorte d'analogue de lentilles qui focalisent et agrandissent l'image dans les microscopes électroniques - ce sont des champs magnétiques. Cependant, les fluctuations du champ magnétique faussent le résultat. Pour supprimer les distorsions, des dispositifs supplémentaires sont utilisés qui corrigent le champ magnétique, mais augmentent en même temps la complexité de la conception du microscope électronique.
Auparavant, des physiciens de l'Université Cornell ont développé le détecteur à matrice de pixels pour microscope électronique (EMPAD) pour remplacer système complexe générateurs focalisant les électrons entrants avec une petite matrice avec une résolution de 128x128 pixels, sensible aux électrons individuels. Chaque pixel enregistre l'angle de réflexion des électrons ; Le sachant, les scientifiques utilisant la technique de la ptyicographie reconstituent les caractéristiques des électrons, y compris les coordonnées du point à partir duquel il a été libéré.
Atomes dans la plus haute résolution
David A. Muller et al. Nature, 2018.
À l'été 2018, les physiciens ont décidé d'améliorer la qualité des images résultantes à une résolution record à ce jour. Les scientifiques ont fixé une feuille de matériau 2D - le sulfure de molybdène MoS2 - sur un faisceau mobile et ont libéré des faisceaux d'électrons en tournant le faisceau à différents angles par rapport à la source d'électrons. À l'aide de l'EMPAD et de la ptyicographie, les scientifiques ont déterminé les distances entre les atomes de molybdène individuels et ont obtenu une image avec une résolution record de 0,39 Å.
"En fait, nous avons créé la plus petite règle du monde", explique Sol Gruner (Sol Gruner), l'un des auteurs de l'expérience. Dans l'image résultante, il était possible de voir des atomes de soufre avec une résolution record de 0,39 Å. De plus, nous avons même réussi à voir l'endroit où un tel atome manque (indiqué par une flèche).
Atomes de soufre à une résolution record
Trurl a commencé à attraper des atomes, à en gratter des électrons, à pétrir des protons pour que seuls ses doigts clignotent, a préparé une pâte à protons, a disposé des électrons autour d'elle et - pour l'atome suivant; moins de cinq minutes s'étaient écoulées avant qu'il ne tienne une barre d'or pur dans ses mains: il la tendit à son museau, mais elle, ayant goûté la barre sur sa dent et hochant la tête, dit:
- Et en effet de l'or, mais je ne peux pas chasser des atomes comme ça. je suis trop grand.
- Rien, on va te donner un appareil spécial ! Trurl l'a persuadé.
Stanislav Lem, Cyberiade
Est-il possible de voir un atome au microscope, de le distinguer d'un autre atome, de suivre la destruction ou la formation d'une liaison chimique, et de voir comment une molécule se transforme en une autre ? Oui, s'il ne s'agit pas d'un simple microscope, mais d'un microscope à force atomique. Et vous pouvez et ne pas être limité à l'observation. Nous vivons à une époque où le microscope à force atomique a cessé d'être une simple fenêtre sur le micromonde. Aujourd'hui, cet instrument peut être utilisé pour déplacer des atomes, rompre des liaisons chimiques, étudier la limite d'étirement de molécules individuelles - et même étudier le génome humain.
Lettres de pixels xénon
Considérer les atomes n'a pas toujours été aussi facile. L'histoire du microscope à force atomique a commencé en 1979, lorsque Gerd Karl Binnig et Heinrich Rohrer, travaillant au centre de recherche IBM de Zurich, ont commencé à créer un instrument qui permettrait d'étudier les surfaces avec une résolution atomique. Pour proposer un tel dispositif, les chercheurs ont décidé d'utiliser l'effet de transition tunnel - la capacité des électrons à surmonter des barrières apparemment impénétrables. L'idée était de déterminer la position des atomes dans l'échantillon en mesurant la force du courant tunnel qui se produit entre la sonde à balayage et la surface étudiée.
Binnig et Rohrer ont réussi et sont entrés dans l'histoire en tant qu'inventeurs du microscope à effet tunnel (STM) et ont reçu en 1986 le prix Nobel de physique. Le microscope à effet tunnel a révolutionné la physique et la chimie.
En 1990, Don Eigler et Erhard Schweitzer, travaillant au centre de recherche IBM en Californie, ont montré que le STM pouvait être utilisé non seulement pour observer les atomes, mais aussi pour les manipuler. En utilisant la sonde d'un microscope à effet tunnel, ils ont créé peut-être l'image la plus populaire symbolisant la transition des chimistes vers le travail avec des atomes individuels - ils ont peint trois lettres sur une surface de nickel avec 35 atomes de xénon (Fig. 1).
Binnig ne s'est pas reposé sur ses lauriers - l'année de sa réception prix Nobel avec Christopher Gerber et Kelvin Quayt, également à l'IBM Zurich Research Center, il a commencé à travailler sur un autre dispositif d'étude du micromonde, dépourvu des défauts inhérents au STM. Le fait est qu'à l'aide d'un microscope à effet tunnel, il était impossible d'étudier les surfaces diélectriques, mais uniquement les conducteurs et les semi-conducteurs, et pour analyser ces derniers, il fallait créer une raréfaction importante entre eux et la sonde du microscope. Réalisant qu'il était plus facile de créer un nouvel appareil que de mettre à niveau un appareil existant, Binnig, Gerber et Quait ont inventé le microscope à force atomique, ou AFM. Le principe de son fonctionnement est radicalement différent : pour obtenir des informations sur la surface, ce n'est pas l'intensité du courant qui se produit entre la sonde du microscope et l'échantillon étudié qui est mesurée, mais la valeur des forces d'attraction qui naissent entre eux, c'est-à-dire des interactions non chimiques faibles - forces de van der Waals.
Le premier modèle de travail de l'AFM était relativement simple. Les chercheurs ont déplacé une sonde en diamant sur la surface de l'échantillon, connectée à un capteur micromécanique flexible - un porte-à-faux en feuille d'or (une attraction se produit entre la sonde et l'atome, le porte-à-faux se plie en fonction de la force d'attraction et déforme le piézoélectrique). Le degré de flexion du porte-à-faux a été déterminé à l'aide de capteurs piézoélectriques - de la même manière, les rainures et les arêtes d'un disque vinyle sont transformées en un enregistrement audio. La conception du microscope à force atomique lui a permis de détecter des forces attractives jusqu'à 10-18 newtons. Un an après la création d'un prototype fonctionnel, les chercheurs ont réussi à obtenir une image de la topographie de la surface du graphite avec une résolution de 2,5 angströms.
Au cours des trois décennies qui se sont écoulées depuis lors, l'AFM a été utilisé pour étudier presque tous les objets chimiques - de la surface d'un matériau céramique aux cellules vivantes et aux molécules individuelles, à la fois dans un état statique et dynamique. La microscopie à force atomique est devenue le cheval de bataille des chimistes et des scientifiques des matériaux, et le nombre de travaux dans lesquels cette méthode est utilisée ne cesse de croître (Fig. 2).
Au fil des ans, les chercheurs ont choisi des conditions pour l'étude avec et sans contact d'objets à l'aide de la microscopie à force atomique. La méthode de contact décrite ci-dessus est basée sur l'interaction de van der Waals entre le porte-à-faux et la surface. Lorsqu'il fonctionne en mode sans contact, le piézovibrateur excite les oscillations de la sonde à une certaine fréquence (le plus souvent résonnante). La force agissant depuis la surface conduit au fait que l'amplitude et la phase des oscillations de la sonde changent. Malgré certaines lacunes de la méthode sans contact (tout d'abord, la sensibilité au bruit extérieur), c'est précisément cette méthode qui exclut l'effet de la sonde sur l'objet étudié et, par conséquent, est plus intéressante pour les chimistes.
Vivant sur des sondes, à la recherche de connexions
La microscopie à force atomique est devenue sans contact en 1998 grâce aux travaux de l'étudiant de Binnig, Franz Josef Gissible. C'est lui qui a suggéré d'utiliser un oscillateur de référence à quartz de fréquence stable comme porte-à-faux. Après 11 ans, des chercheurs du laboratoire IBM de Zurich ont entrepris une autre modification de l'AFM sans contact: le rôle de la sonde-capteur n'était pas joué par un cristal de diamant pointu, mais par une molécule - le monoxyde de carbone. Cela a permis de passer à la résolution subatomique, comme l'a démontré Leo Gross de la division zurichoise d'IBM. En 2009, avec l'aide de l'AFM, il a rendu visibles non pas des atomes, mais des liaisons chimiques, ayant obtenu une « image » assez claire et lisible sans ambiguïté pour la molécule de pentacène (Fig. 3 ; La science, 2009, 325, 5944, 1110-1114, doi : 10.1126/science.1176210).
Convaincu que la liaison chimique pouvait être observée avec l'AFM, Leo Gross a décidé d'aller plus loin et d'utiliser le microscope à force atomique pour mesurer les longueurs et les ordres de liaison - des paramètres clés pour comprendre la structure chimique, et donc les propriétés des substances.
Rappelons que la différence d'ordres de liaison indique différentes densités d'électrons et différentes distances interatomiques entre deux atomes (en termes simples, une double liaison est plus courte qu'une simple liaison). Dans l'éthane, l'ordre des liaisons carbone-carbone est un, dans l'éthylène, il est de deux, et dans la molécule aromatique classique, le benzène, l'ordre des liaisons carbone-carbone est supérieur à un, mais inférieur à deux, et est considéré comme égal à 1,5.
La détermination de l'ordre des liaisons est beaucoup plus difficile lorsqu'on passe de systèmes aromatiques simples à des systèmes cycliques polycondensés plans ou volumineux. Ainsi, l'ordre des liaisons dans les fullerènes constitués de cycles carbonés condensés à cinq et six chaînons peut prendre n'importe quelle valeur de un à deux. La même incertitude s'applique théoriquement aux composés aromatiques polycycliques.
En 2012, Leo Gross, en collaboration avec Fabian Mohn, a montré qu'un microscope à force atomique avec une sonde métallique sans contact modifiée avec du monoxyde de carbone peut mesurer les différences dans la répartition des charges entre les atomes et les distances interatomiques - c'est-à-dire les paramètres associés à l'ordre des liaisons. ( La science, 2012, 337, 6100, 1326-1329, doi : 10.1126/science.1225621).
Pour ce faire, ils ont étudié deux types de liaisons chimiques dans le fullerène - une liaison carbone-carbone, commune à deux cycles carbonés à six chaînons du fullerène C 60 , et une liaison carbone-carbone, commune aux cycles à cinq et six chaînons cycles. Un microscope à force atomique a montré que la condensation de cycles à six chaînons conduit à une liaison plus courte et d'ordre supérieur à la condensation de fragments cycliques en C 6 et C 5 . L'étude des caractéristiques de la liaison chimique dans l'hexabenzocoronène, où six autres cycles C6 sont situés symétriquement autour du cycle central C 6 , a confirmé les résultats de la modélisation chimique quantique, selon lesquels l'ordre des liaisons N-N central anneaux (sur la Fig. 4 la lettre je) doit être supérieur aux liaisons qui unissent cet anneau aux cycles périphériques (sur la Fig. 4, la lettre j). Des résultats similaires ont également été obtenus pour un hydrocarbure aromatique polycyclique plus complexe contenant neuf cycles à six chaînons.
Les ordres de liaison et les distances interatomiques, bien sûr, intéressaient les chimistes organiques, mais c'était plus important pour ceux qui étaient engagés dans la théorie des liaisons chimiques, la prédiction de la réactivité et l'étude des mécanismes des réactions chimiques. Néanmoins, tant les chimistes de synthèse que les spécialistes de l'étude de la structure des composés naturels ont été surpris : il s'est avéré que le microscope à force atomique peut être utilisé pour établir la structure des molécules au même titre que la spectroscopie RMN ou IR. De plus, il apporte une réponse sans ambiguïté à des questions auxquelles ces méthodes sont incapables de répondre.
De la photographie au cinéma
En 2010, les mêmes Leo Gross et Rainer Ebel ont pu établir sans ambiguïté la structure d'un composé naturel - le céphalandol A, isolé d'une bactérie Dermacoccus abyssi(Chimie naturelle, 2010, 2, 821–825, doi : 10.1038/nchem.765). La composition du céphalandol A était auparavant déterminée par spectrométrie de masse, mais l'analyse des spectres RMN de ce composé n'a pas permis de répondre sans ambiguïté à la question de sa structure : quatre variantes étaient possibles. À l'aide d'un microscope à force atomique, les chercheurs ont immédiatement exclu deux des quatre structures, et ont fait le bon choix des deux restantes en comparant les résultats obtenus par AFM et la modélisation chimique quantique. La tâche s'est avérée difficile: contrairement au pentacène, au fullerène et aux coronènes, le céphalandol A contient non seulement des atomes de carbone et d'hydrogène, de plus, cette molécule n'a pas de plan de symétrie (Fig. 5) - mais ce problème a également été résolu.
Une autre confirmation que le microscope à force atomique pouvait être utilisé comme outil analytique est venue du groupe d'Oskar Kustanz, alors à l'École d'ingénierie de l'Université d'Osaka. Il a montré comment, à l'aide de l'AFM, distinguer des atomes qui diffèrent beaucoup moins les uns des autres que le carbone et l'hydrogène ( La nature, 2007, 446, 64–67, doi : 10.1038/nature05530). Kustanz a étudié la surface d'un alliage composé de silicium, d'étain et de plomb avec une teneur connue de chaque élément. À la suite de nombreuses expériences, il a découvert que la force qui se produit entre la pointe de la sonde AFM et différents atomes diffère (Fig. 6). Par exemple, l'interaction la plus forte a été observée lors du sondage du silicium, et l'interaction la plus faible a été observée lors du sondage du plomb.
On suppose qu'à l'avenir, les résultats de la microscopie à force atomique pour la reconnaissance des atomes individuels seront traités de la même manière que les résultats de la RMN - par comparaison des valeurs relatives. Étant donné que la composition exacte de l'aiguille du capteur est difficile à contrôler, la valeur absolue de la force entre le capteur et les différents atomes de surface dépend des conditions expérimentales et de la marque de l'appareil, mais le rapport de ces forces pour toute composition et forme de le capteur reste constant pour chaque élément chimique.
En 2013, les premiers exemples d'utilisation de l'AFM pour obtenir des images de molécules individuelles avant et après des réactions chimiques sont apparus : un "photoset" est créé à partir des produits et intermédiaires de la réaction, qui peut ensuite être monté dans une sorte de film documentaire ( La science, 2013, 340, 6139, 1434-1437 ; doi : 10.1126/science.1238187).
Felix Fisher et Michael Crommie de l'Université de Californie à Berkeley ont appliqué de l'argent sur la surface 1,2-bis[(2-éthynylphényl)éthynyl]benzène, imagé les molécules et chauffé la surface pour initier la cyclisation. La moitié des molécules d'origine se sont transformées en structures aromatiques polycycliques, constituées de cinq cycles fusionnés à six chaînons et de deux cycles à cinq chaînons. Un autre quart des molécules formaient des structures constituées de quatre cycles à six chaînons liés par un cycle à quatre chaînons et deux cycles à cinq chaînons (Fig. 7). Les produits restants étaient des structures oligomères et, en quantité insignifiante, des isomères polycycliques.
Ces résultats ont surpris les chercheurs à deux reprises. Premièrement, seuls deux produits principaux se sont formés au cours de la réaction. Deuxièmement, leur structure a causé la surprise. Fisher note que l'intuition chimique et l'expérience ont permis de dessiner des dizaines de produits de réaction possibles, mais aucun d'entre eux ne correspondait aux composés qui se formaient à la surface. Il est possible que l'interaction des substances initiales avec le substrat ait contribué à l'apparition de processus chimiques atypiques.
Naturellement, après les premiers succès sérieux dans l'étude des liaisons chimiques, certains chercheurs ont décidé d'utiliser l'AFM pour observer des interactions intermoléculaires plus faibles et moins étudiées, en particulier la liaison hydrogène. Cependant, les travaux dans ce domaine ne font que commencer et leurs résultats sont contradictoires. Ainsi, dans certaines publications, il est rapporté que la microscopie à force atomique a permis d'observer la liaison hydrogène ( La science, 2013, 342, 6158, 611–614, doi : 10.1126/science.1242603), dans d'autres, ils affirment qu'il ne s'agit que d'artefacts dus aux caractéristiques de conception de l'appareil et que les résultats expérimentaux doivent être interprétés avec plus de prudence ( Lettres d'examen physique, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). Peut-être que la réponse définitive à la question de savoir s'il est possible d'observer l'hydrogène et d'autres interactions intermoléculaires à l'aide de la microscopie à force atomique sera déjà obtenue au cours de cette décennie. Pour ce faire, il est nécessaire d'augmenter la résolution AFM au moins plusieurs fois et d'apprendre à obtenir des images sans bruit ( Examen physique B, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).
Synthèse d'une molécule
Entre des mains habiles, STM et AFM sont transformés d'instruments capables d'étudier la matière en instruments capables de modifier directionnellement la structure de la matière. À l'aide de ces dispositifs, il a déjà été possible d'obtenir "les plus petits laboratoires de chimie", dans lesquels un substrat est utilisé à la place d'un flacon et des molécules individuelles sont utilisées à la place de moles ou de millimoles de réactifs.
Par exemple, en 2016, une équipe internationale de scientifiques dirigée par Takashi Kumagai a utilisé la microscopie à force atomique sans contact pour transférer la molécule de porphycène d'une de ses formes à une autre ( Chimie naturelle, 2016, 8, 935–940, doi : 10.1038/nchem.2552). Le porphycène peut être considéré comme une modification de la porphyrine, dont le cycle interne contient quatre atomes d'azote et deux atomes d'hydrogène. Les vibrations de la sonde AFM ont transféré suffisamment d'énergie à la molécule de porphycène pour transférer ces hydrogènes d'un atome d'azote à un autre, et en conséquence, une "image miroir" de cette molécule a été obtenue (Fig. 8).
Le groupe dirigé par l'infatigable Leo Gross a également montré qu'il était possible d'initier la réaction d'une seule molécule - ils ont transformé le dibromoanthracène en un diyne cyclique à dix chaînons (Fig. 9; Chimie naturelle, 2015, 7, 623–628, doi : 10.1038/nchem.2300). Contrairement à Kumagai et al., ils ont utilisé un microscope à effet tunnel pour activer la molécule, et le résultat de la réaction a été contrôlé à l'aide d'un microscope à force atomique.
L'utilisation combinée d'un microscope à effet tunnel et d'un microscope à force atomique a même permis d'obtenir une molécule non synthétisable par les techniques et méthodes classiques ( Nanotechnologie de la nature, 2017, 12, 308–311, doi : 10.1038/nnano.2016.305). Ce triangulène est un diradical aromatique instable, dont l'existence a été prédite il y a six décennies, mais toutes les tentatives de synthèse ont échoué (Fig. 10). Les chimistes du groupe de Niko Pavlicek ont obtenu le composé souhaité en supprimant deux atomes d'hydrogène de son précurseur à l'aide de STM et en confirmant le résultat de synthèse à l'aide d'AFM.
On suppose que le nombre de travaux consacrés à l'application de la microscopie à force atomique en chimie organique continuera de croître. Actuellement, de plus en plus de scientifiques tentent de répéter à la surface de la réaction la "chimie en solution" bien connue. Mais peut-être que les chimistes synthétiques commenceront à reproduire en solution ces réactions qui étaient à l'origine effectuées sur la surface à l'aide de l'AFM.
Du non-vivant au vivant
Les porte-à-faux et les sondes des microscopes à force atomique peuvent être utilisés non seulement pour des études analytiques ou la synthèse de molécules exotiques, mais aussi pour résoudre des problèmes appliqués. Des cas d'utilisation de l'AFM en médecine sont déjà connus, par exemple pour le diagnostic précoce du cancer, et ici le pionnier est le même Christopher Gerber, qui a participé au développement du principe de la microscopie à force atomique et à la création de l'AFM.
Ainsi, Gerber a réussi à enseigner à l'AFM pour déterminer la mutation ponctuelle de l'acide ribonucléique dans le mélanome (sur le matériel obtenu à la suite d'une biopsie). Pour ce faire, le porte-à-faux en or d'un microscope à force atomique a été modifié avec des oligonucléotides qui peuvent entrer en interaction intermoléculaire avec l'ARN, et la force de cette interaction peut encore être mesurée en raison de l'effet piézoélectrique. La sensibilité du capteur AFM est si élevée qu'il est déjà utilisé pour étudier l'efficacité de la méthode populaire d'édition du génome CRISPR-Cas9. Il rassemble des technologies créées par différentes générations de chercheurs.
En paraphrasant le classique de l'une des théories politiques, nous pouvons dire que nous voyons déjà les possibilités illimitées et inépuisables de la microscopie à force atomique et pouvons difficilement imaginer ce qui nous attend dans le cadre du développement ultérieur de ces technologies. Mais aujourd'hui encore, le microscope à effet tunnel et le microscope à force atomique nous permettent de voir les atomes et de les toucher. Nous pouvons dire que ce n'est pas seulement une extension de nos yeux, qui nous permet de regarder dans le microcosme des atomes et des molécules, mais aussi de nouveaux yeux, de nouveaux doigts qui peuvent toucher ce microcosme et le contrôler.
