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 C6, a confirmé les résultats de la modélisation chimique quantique, selon lesquels l'ordre Connexions CC anneau central (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 "réflexion 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 l'inépuisabilité 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.
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
Sur cette photo, vous regardez la première image directe des orbites d'un électron autour d'un atome - en fait, la fonction d'onde d'un atome !
Pour capturer une photographie de la structure orbitale d'un atome d'hydrogène, les chercheurs ont utilisé le dernier microscope quantique, un appareil incroyable qui permet aux scientifiques de scruter le domaine de la physique quantique.
La structure orbitale de l'espace dans un atome est occupée par un électron. Mais pour décrire ces propriétés microscopiques de la matière, les scientifiques s'appuient sur des fonctions d'onde, des moyens mathématiques de décrire les états quantiques des particules, à savoir leur comportement dans l'espace et dans le temps.
En règle générale, des formules comme l'équation de Schrödinger sont utilisées en physique quantique pour décrire les états des particules.
Obstacles sur le chemin des chercheurs
Jusqu'à présent, les scientifiques n'ont jamais observé la fonction d'onde. Essayer de capturer la position exacte ou l'élan d'un électron solitaire était comme essayer d'attraper un essaim de mouches. Les observations directes ont été déformées par un phénomène très désagréable - la cohérence quantique.
Pour mesurer tous les états quantiques, vous avez besoin d'un instrument capable de prendre de nombreuses mesures des états d'une particule au fil du temps.
Mais comment augmenter l'état déjà microscopique d'une particule quantique ? La réponse a été trouvée par un groupe de chercheurs internationaux. Avec un microscope quantique, un appareil qui utilise la photoionisation pour observer directement les structures atomiques.
Dans son article paru dans la populaire revue Physical Review Letters, Aneta Stodolna de l'Institut de physique moléculaire (AMOLF) aux Pays-Bas explique comment elle et son équipe ont obtenu les structures orbitales nodales d'électrons d'un atome d'hydrogène placé dans un champ électrique statique.
Méthode de travail
Après irradiation avec des impulsions laser, les électrons ionisés ont quitté leur orbite et, le long de la trajectoire mesurée, sont tombés dans un détecteur 2D (plaque à double microcanal. Le détecteur est situé perpendiculairement au champ lui-même). Il existe de nombreuses trajectoires le long desquelles les électrons peuvent voyager avant d'entrer en collision avec le détecteur. Cela fournit aux chercheurs un ensemble de modèles d'interférence, des modèles qui reflètent la structure nodale de la fonction d'onde.
Les chercheurs ont utilisé une lentille électrostatique qui grossit l'onde sortante d'électrons de plus de 20 000 fois.
Atome d'hydrogène capturant des nuages d'électrons. Et bien que les physiciens modernes puissent même déterminer la forme d'un proton à l'aide d'accélérateurs, l'atome d'hydrogène restera apparemment le plus petit objet, dont l'image a du sens pour appeler une photographie. "Lenta.ru" présente un aperçu des méthodes modernes de photographie du micro-monde.
À proprement parler, il n'y a presque plus de photographie ordinaire de nos jours. Les images que nous appelons habituellement des photographies et que l'on peut trouver, par exemple, dans n'importe quel essai photographique de Lenta.ru, sont en fait des modèles informatiques. Une matrice photosensible dans un appareil spécial (traditionnellement on l'appelle encore « caméra ») détermine la répartition spatiale de l'intensité lumineuse dans plusieurs gammes spectrales différentes, l'électronique de commande stocke ces données sous forme numérique, puis un autre circuit électronique, basé sur cette données, donne une commande aux transistors de l'affichage à cristaux liquides . Film, papier, solutions spéciales pour leur traitement - tout cela est devenu exotique. Et si l'on se souvient du sens littéral du mot, alors la photographie est du « light painting ». Alors que dire que les scientifiques ont réussi photographier un atome, n'est possible qu'avec une bonne dose de conventionnalité.
Plus de la moitié de toutes les images astronomiques ont depuis longtemps été prises par des télescopes infrarouges, ultraviolets et à rayons X. Les microscopes électroniques n'irradient pas avec de la lumière, mais avec un faisceau d'électrons, tandis que les microscopes à force atomique balayent le relief de l'échantillon avec une aiguille. Il existe des microscopes à rayons X et des scanners d'imagerie par résonance magnétique. Tous ces appareils nous donnent des images fidèles d'objets divers, et malgré le fait qu'il ne soit bien entendu pas nécessaire de parler ici de "light painting", nous nous permettons tout de même d'appeler de telles images des photographies.
Les expériences des physiciens pour déterminer la forme d'un proton ou la répartition des quarks à l'intérieur des particules resteront dans les coulisses ; notre histoire se limitera à l'échelle des atomes.
L'optique ne vieillit jamais
Comme il s'est avéré dans la seconde moitié du XXe siècle, les microscopes optiques ont encore de la place pour se développer. Un moment décisif dans la recherche biologique et médicale a été l'émergence des colorants fluorescents et des méthodes permettant un marquage sélectif de certaines substances. Ce n'était pas "juste une nouvelle peinture", c'était une véritable révolution.
Contrairement aux idées reçues, la fluorescence n'est pas du tout une lueur dans l'obscurité (cette dernière est appelée luminescence). C'est le phénomène d'absorption de quanta d'une certaine énergie (par exemple, la lumière bleue) suivi de l'émission d'autres quanta d'énergie inférieure et, par conséquent, d'une lumière différente (lorsque le bleu est absorbé, le vert sera émis). Si vous installez un filtre qui ne laisse passer que les quanta émis par le colorant et bloque la lumière qui provoque la fluorescence, vous pouvez voir un fond sombre avec des taches lumineuses de colorants, et les colorants, à leur tour, peuvent colorer l'échantillon de manière extrêmement sélective. .
Par exemple, vous pouvez colorer le cytosquelette cellule nerveuse en rouge, les synapses en vert et le noyau en bleu. Vous pouvez fabriquer un marqueur fluorescent qui vous permettra de détecter des récepteurs protéiques sur la membrane ou des molécules synthétisées par la cellule sous certaines conditions. La méthode de coloration immunohistochimique a révolutionné la science biologique. Et lorsque les généticiens ont appris à fabriquer des animaux transgéniques avec des protéines fluorescentes, cette méthode a connu une renaissance : des souris avec des neurones peints de différentes couleurs sont devenues une réalité, par exemple.
De plus, des ingénieurs ont imaginé (et pratiqué) une méthode de microscopie dite confocale. Son essence réside dans le fait que le microscope se concentre sur une couche très mince et qu'un diaphragme spécial coupe la lumière créée par les objets en dehors de cette couche. Un tel microscope peut scanner séquentiellement un échantillon de haut en bas et obtenir une pile d'images, qui est une base prête à l'emploi pour un modèle tridimensionnel.
L'utilisation de lasers et de systèmes de contrôle de faisceau optique sophistiqués a permis de résoudre le problème de la décoloration et du séchage d'échantillons biologiques délicats sous une lumière vive : le faisceau laser ne balaye l'échantillon que lorsque cela est nécessaire pour l'imagerie. Et afin de ne pas perdre de temps et d'efforts à examiner une grande préparation à travers un oculaire à champ de vision étroit, les ingénieurs ont proposé un système de balayage automatique: vous pouvez placer un verre avec un échantillon sur la platine objet d'un microscope moderne, et l'appareil capturera indépendamment un panorama à grande échelle de l'ensemble de l'échantillon. En même temps, aux bons endroits, il se concentrera, puis collera de nombreux cadres ensemble.
Certains microscopes peuvent accueillir des souris, des rats ou au moins de petits invertébrés vivants. D'autres donnent une légère augmentation, mais sont combinés avec un appareil à rayons X. Pour éliminer les interférences vibratoires, beaucoup sont montés sur des tables spéciales pesant plusieurs tonnes à l'intérieur avec un microclimat soigneusement contrôlé. Le coût de tels systèmes dépasse le coût des autres microscopes électroniques, et les concours du plus beau cadre sont depuis longtemps devenus une tradition. De plus, l'amélioration de l'optique se poursuit : de la recherche des meilleurs types de verres à la sélection des combinaisons de lentilles optimales, les ingénieurs sont passés aux manières de focaliser la lumière.
Nous avons spécifiquement énuméré un certain nombre de détails techniques afin de montrer que les progrès de la recherche biologique ont longtemps été associés aux progrès dans d'autres domaines. S'il n'y avait pas d'ordinateurs capables de compter automatiquement le nombre de cellules colorées sur plusieurs centaines de photographies, les supermicroscopes seraient de peu d'utilité. Et sans colorants fluorescents, tous les millions de cellules seraient impossibles à distinguer les unes des autres, il serait donc presque impossible de suivre la formation de nouvelles ou la mort des anciennes.
En fait, le premier microscope était une pince à laquelle était fixée une lentille sphérique. Un analogue d'un tel microscope peut être une simple carte à jouer avec un trou et une goutte d'eau. Selon certains rapports, de tels dispositifs étaient déjà utilisés par les mineurs d'or de la Kolyma au siècle dernier.
Au-delà de la limite de diffraction
Les microscopes optiques présentent un inconvénient fondamental. Le fait est qu'il est impossible de restituer la forme de ces objets qui se sont avérés beaucoup plus petits que la longueur d'onde de la forme des ondes lumineuses : vous pouvez tout aussi bien essayer d'examiner la texture fine du matériau avec votre main dans un gant de soudage épais.
Les limitations créées par la diffraction ont été en partie surmontées, et sans violer les lois de la physique. Deux circonstances aident les microscopes optiques à plonger sous la barrière de diffraction : le fait que pendant la fluorescence, des quanta sont émis par des molécules de colorant individuelles (qui peuvent être assez éloignées les unes des autres), et le fait qu'en superposant des ondes lumineuses, il est possible d'obtenir un tache de diamètre inférieur à la longueur d'onde.
Lorsqu'elles se superposent, les ondes lumineuses sont capables de s'annuler, par conséquent, les paramètres d'éclairage de l'échantillon sont tels que la plus petite zone possible tombe dans la région lumineuse. En combinaison avec des algorithmes mathématiques qui peuvent, par exemple, supprimer les images fantômes, un tel éclairage directionnel améliore considérablement la qualité de l'image. Il devient possible, par exemple, d'examiner des structures intracellulaires avec un microscope optique et même (en combinant la méthode décrite avec la microscopie confocale) d'obtenir leurs images en trois dimensions.
Microscope électronique avant les instruments électroniques
Pour découvrir des atomes et des molécules, les scientifiques n'avaient pas besoin de les regarder - la théorie moléculaire n'avait pas besoin de voir l'objet. Mais la microbiologie n'est devenue possible qu'après l'invention du microscope. Par conséquent, au début, les microscopes étaient précisément associés à la médecine et à la biologie : des physiciens et des chimistes qui étudiaient des objets beaucoup plus petits gérés par d'autres moyens. Lorsqu'ils ont également voulu regarder le microcosme, les limitations de diffraction sont devenues un problème sérieux, d'autant plus que les méthodes de microscopie à fluorescence décrites ci-dessus étaient encore inconnues. Et il n'y a guère de sens à augmenter la résolution de 500 à 100 nanomètres si l'objet à considérer l'est encore moins !
Sachant que les électrons peuvent se comporter à la fois comme une onde et comme une particule, des physiciens allemands ont créé une lentille électronique en 1926. L'idée sous-jacente était très simple et compréhensible pour tout écolier: puisque le champ électromagnétique dévie les électrons, vous pouvez alors, avec son aide, modifier la forme du faisceau de ces particules, en les entraînant dans différents côtés, ou, au contraire, réduire le diamètre du faisceau. Cinq ans plus tard, en 1931, Ernst Ruska et Max Knoll ont construit le premier microscope électronique au monde. Dans l'appareil, l'échantillon a d'abord été éclairé par un faisceau d'électrons, puis la lentille électronique a élargi le faisceau qui l'a traversé avant qu'il ne tombe sur un écran luminescent spécial. Le premier microscope n'a donné qu'un grossissement de 400 fois, mais le remplacement de la lumière par des électrons a ouvert la voie à la photographie avec des centaines de milliers de grossissements : les concepteurs n'ont eu qu'à surmonter quelques obstacles techniques.
Le microscope électronique a permis d'examiner la structure des cellules avec une qualité jusque-là inaccessible. Mais à partir de cette image, il est impossible de comprendre l'âge des cellules et la présence de certaines protéines en elles, et cette information est très nécessaire pour les scientifiques.
Les microscopes électroniques permettent désormais des photographies rapprochées des virus. Il existe diverses modifications d'appareils qui permettent non seulement de briller à travers des sections minces, mais aussi de les considérer en "lumière réfléchie" (en électrons réfléchis, bien sûr). Nous ne parlerons pas en détail de toutes les options pour les microscopes, mais nous notons que récemment, les chercheurs ont appris à restaurer une image à partir d'un diagramme de diffraction.
Toucher, ne pas voir
Une autre révolution s'est faite aux dépens d'un nouvel écart par rapport au principe « illuminez et voyez ». Un microscope à force atomique, ainsi qu'un microscope à effet tunnel, ne brillent plus à la surface des échantillons. Au lieu de cela, une aiguille particulièrement fine se déplace sur la surface, qui rebondit littéralement même sur des bosses de la taille d'un seul atome.
Sans entrer dans les détails de toutes ces méthodes, notons l'essentiel: l'aiguille d'un microscope à effet tunnel peut non seulement être déplacée le long de la surface, mais également utilisée pour réorganiser les atomes d'un endroit à l'autre. C'est ainsi que les scientifiques créent des inscriptions, des dessins et même des dessins animés dans lesquels un garçon dessiné joue avec un atome. Un véritable atome de xénon traîné par la pointe d'un microscope à effet tunnel.
On l'appelle un microscope à effet tunnel car il utilise l'effet du courant tunnel traversant l'aiguille : les électrons traversent l'espace entre l'aiguille et la surface en raison de l'effet tunnel prédit par la mécanique quantique. Cet appareil nécessite un vide pour fonctionner.
Le microscope à force atomique (AFM) est beaucoup moins exigeant sur les conditions environnementales - il peut (avec un certain nombre de limitations) fonctionner sans pompage d'air. En un sens, l'AFM est le successeur nanotechnologique du gramophone. Une aiguille montée sur un support en porte-à-faux mince et flexible ( cantilever et il y a un "support"), se déplace le long de la surface sans lui appliquer de tension et suit le relief de l'échantillon de la même manière que l'aiguille d'un phonographe suit les rainures d'un disque de gramophone. La flexion du porte-à-faux fait dévier le miroir qui y est fixé, le miroir dévie le faisceau laser, ce qui permet de déterminer très précisément la forme de l'échantillon étudié. L'essentiel est d'avoir un système assez précis pour déplacer l'aiguille, ainsi qu'une réserve d'aiguilles qui doivent être parfaitement tranchantes. Le rayon de courbure aux pointes de telles aiguilles ne doit pas dépasser le nanomètre.
L'AFM vous permet de voir des atomes et des molécules individuels, mais, comme un microscope à effet tunnel, il ne vous permet pas de regarder sous la surface de l'échantillon. En d'autres termes, les scientifiques doivent choisir entre être capable de voir les atomes et être capable d'étudier l'objet entier. Cependant, même pour les microscopes optiques, l'intérieur des échantillons étudiés n'est pas toujours accessible, car les minéraux ou les métaux transmettent généralement mal la lumière. De plus, il y a encore des difficultés à photographier les atomes - ces objets apparaissent comme de simples boules, la forme des nuages d'électrons n'est pas visible sur de telles images.
Le rayonnement synchrotron, qui se produit lors de la décélération des particules chargées dispersées par les accélérateurs, permet d'étudier les restes pétrifiés d'animaux préhistoriques. Faire tourner l'échantillon sous radiographies, nous pouvons obtenir des tomographies en trois dimensions - c'est ainsi, par exemple, que le cerveau a été trouvé à l'intérieur du crâne de poissons qui ont disparu il y a 300 millions d'années. On peut se passer de rotation si l'enregistrement du rayonnement transmis se fait en fixant les rayons X diffusés par diffraction.
Et ce ne sont pas toutes les possibilités qu'ouvrent les rayons X. Lorsqu'elles sont irradiées avec elle, de nombreux matériaux deviennent fluorescents et la composition chimique de la substance peut être déterminée par la nature de la fluorescence: de cette manière, les scientifiques colorent les artefacts anciens, les œuvres d'Archimède effacées au Moyen Âge ou la couleur de les plumes d'oiseaux disparus depuis longtemps.
Poser des atomes
Avec en toile de fond toutes les possibilités offertes par les méthodes de rayons X ou de fluorescence optique, une nouvelle façon de photographier des atomes individuels ne semble plus être une si grande percée scientifique. L'essence de la méthode qui a permis d'obtenir les images présentées cette semaine est la suivante : des électrons sont prélevés sur des atomes ionisés et envoyés vers un détecteur spécial. Chaque acte d'ionisation enlève un électron d'une certaine position et donne un point sur la "photo". Après avoir accumulé plusieurs milliers de ces points, les scientifiques ont formé une image montrant les endroits les plus probables pour trouver un électron autour du noyau d'un atome, et ceci, par définition, est un nuage d'électrons.
En conclusion, disons que la capacité de voir des atomes individuels avec leurs nuages d'électrons ressemble plus à une cerise sur le gâteau de la microscopie moderne. Il était important pour les scientifiques d'étudier la structure des matériaux, d'étudier les cellules et les cristaux, et le développement des technologies qui en résulta permit d'atteindre l'atome d'hydrogène. Rien de moins est déjà le domaine d'intérêt des spécialistes de la physique des particules élémentaires. Et les biologistes, les scientifiques des matériaux et les géologues ont encore de la marge pour améliorer les microscopes même avec un grossissement plutôt modeste par rapport aux atomes. Les experts en neurophysiologie, par exemple, veulent depuis longtemps disposer d'un appareil capable de voir des cellules individuelles à l'intérieur d'un cerveau vivant, et les créateurs de rovers vendraient leur âme pour un microscope électronique qui tiendrait à bord d'un vaisseau spatial et pourrait fonctionner sur Mars.
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.
