Գիտնականներն առաջին անգամ տեսել են ատոմը «կենդանի» - Լուսանկար. Ատոմներ Հնարավո՞ր է լուսանկարել ատոմը

Տրուրլը սկսեց բռնել ատոմները, դրանցից էլեկտրոններ քերելով, պրոտոններ հունցելով, այնպես, որ միայն նրա մատները փայլեն, պատրաստեց պրոտոնային խմոր, դրեց էլեկտրոններ դրա շուրջը և հաջորդ ատոմի համար. Հինգ րոպե էլ չէր անցել, երբ նա իր ձեռքերում պահեց մաքուր ոսկու ձուլակտորը. նա տվեց այն իր դնչին, բայց նա, ճաշակելով ատամի ձողը և գլխով անելով, ասաց.
-Եվ իսկապես ոսկի, բայց ես այդպես չեմ կարող ատոմների հետապնդել։ Ես չափազանց մեծ եմ:
-Ոչինչ, մենք քեզ հատուկ ապարատ կտանք։ Տրուրլը համոզեց նրան։

Ստանիսլավ Լեմ, Կիբերիադ

Հնարավո՞ր է արդյոք մանրադիտակով ատոմ տեսնել, այն տարբերել մեկ այլ ատոմից, հետևել քիմիական կապի քայքայմանը կամ ձևավորմանը և տեսնել, թե ինչպես է մի մոլեկուլը վերածվում մյուսի: Այո, եթե դա հասարակ մանրադիտակ չէ, այլ ատոմային ուժի: Եվ դուք կարող եք և չսահմանափակվել միայն դիտարկմամբ: Մենք ապրում ենք մի ժամանակաշրջանում, երբ ատոմային ուժային մանրադիտակը դադարել է պարզապես պատուհան լինել դեպի միկրոաշխարհ: Այսօր այս գործիքը կարող է օգտագործվել ատոմները տեղափոխելու, քիմիական կապերը կոտրելու, առանձին մոլեկուլների ձգվող սահմանը ուսումնասիրելու և նույնիսկ մարդու գենոմը ուսումնասիրելու համար:

Նամակներ քսենոնային պիքսելներից

Ատոմները հաշվի առնելը միշտ չէ, որ այդքան հեշտ է եղել: Ատոմային ուժի մանրադիտակի պատմությունը սկսվել է 1979 թվականին, երբ Գերդ Կարլ Բինիգը և Հենրիխ Ռորերը, որոնք աշխատում էին Ցյուրիխի IBM հետազոտական ​​կենտրոնում, սկսեցին ստեղծել մի գործիք, որը թույլ կտա ուսումնասիրել ատոմային լուծաչափով մակերեսները: Նման սարք ստեղծելու համար գիտնականները որոշել են օգտագործել թունելային անցումային էֆեկտը՝ էլեկտրոնների՝ անթափանց թվացող խոչընդոտները հաղթահարելու կարողությունը: Գաղափարն այն էր, որ որոշվի ատոմների դիրքը նմուշում՝ չափելով թունելային հոսանքի ուժգնությունը, որը տեղի է ունենում սկանավորման զոնդի և ուսումնասիրվող մակերեսի միջև:

Բինիգը և Ռորերը հաջողեցին, և նրանք պատմության մեջ մնացին որպես սկանավորող թունելային մանրադիտակի (STM) գյուտարարներ, իսկ 1986 թվականին ստացան ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ: Սկանավորող թունելային մանրադիտակը իսկական հեղափոխություն է կատարել ֆիզիկայում և քիմիայում:

1990 թվականին Դոն Էյգլերը և Էրհարդ Շվեյցերը, որոնք աշխատում էին Կալիֆորնիայի IBM հետազոտական ​​կենտրոնում, ցույց տվեցին, որ STM-ը կարող է օգտագործվել ոչ միայն ատոմները դիտարկելու, այլև դրանք շահարկելու համար։ Օգտագործելով սկանավորող թունելային մանրադիտակի զոնդը՝ նրանք ստեղծեցին թերևս ամենահայտնի պատկերը, որը խորհրդանշում է քիմիկոսների անցումը առանձին ատոմների հետ աշխատանքին. նրանք երեք տառ են նկարել նիկելի մակերեսի վրա 35 քսենոնի ատոմներով (նկ. 1):

Բինիգը չհանգստացավ իր դափնիների վրա. Նոբելյան մրցանակը ստանալու տարում, Քրիստոֆեր Գերբերի և Կալվին Քեյթի հետ, ովքեր նույնպես աշխատում էին IBM Ցյուրիխի հետազոտական ​​կենտրոնում, նա սկսեց աշխատել միկրոաշխարհը ուսումնասիրելու մեկ այլ սարքի վրա՝ զուրկ թերություններից: որոնք բնորոշ են STM-ին: Բանն այն է, որ սկանավորող թունելային մանրադիտակի միջոցով անհնար էր ուսումնասիրել դիէլեկտրական մակերեսները, այլ միայն հաղորդիչներն ու կիսահաղորդիչները, իսկ վերջիններս վերլուծելու համար պետք էր զգալի սակավություն ստեղծել դրանց և մանրադիտակի զոնդի միջև։ Հասկանալով, որ ավելի հեշտ է ստեղծել նոր սարք, քան արդիականացնել գոյություն ունեցողը, Բինիգը, Գերբերը և Քուեյթը հայտնագործեցին ատոմային ուժի մանրադիտակը կամ AFM: Նրա գործողության սկզբունքը արմատապես տարբեր է. մակերեսի մասին տեղեկատվություն ստանալու համար չափվում է ոչ թե մանրադիտակի զոնդի և հետազոտվող նմուշի միջև առկա ուժը, այլ դրանց միջև առաջացող ձգողական ուժերի արժեքը. այն է՝ թույլ ոչ քիմիական փոխազդեցություններ՝ վան դեր Վալսի ուժեր։

AFM-ի առաջին աշխատանքային մոդելը համեմատաբար պարզ էր. Հետազոտողները նմուշի մակերևույթի վրայով տեղափոխեցին ադամանդե զոնդ, որը միացված էր ճկուն միկրոմեխանիկական սենսորին՝ ոսկե փայլաթիթեղի հենարանին (գրավչությունը տեղի է ունենում զոնդի և ատոմի միջև, կախիչը թեքվում է՝ կախված ձգողականության ուժից և դեֆորմացնում է պիեզոէլեկտրիկը): Կանտի ճկման աստիճանը որոշվել է պիեզոէլեկտրական սենսորների միջոցով. նման կերպ վինիլային ձայնագրության ակոսներն ու ծայրերը վերածվում են աուդիո ձայնագրության: Ատոմային ուժային մանրադիտակի նախագծումը թույլ տվեց նրան հայտնաբերել գրավիչ ուժեր մինչև 10–18 նյուտոն։ Աշխատանքային նախատիպի ստեղծումից մեկ տարի անց հետազոտողներին հաջողվել է ստանալ գրաֆիտի մակերեսային տեղագրության պատկերը՝ 2,5 անգստրոմ թույլատրությամբ։

Դրանից հետո անցած երեք տասնամյակում AFM-ն օգտագործվել է գրեթե ցանկացած քիմիական առարկա ուսումնասիրելու համար՝ կերամիկական նյութի մակերեսից մինչև կենդանի բջիջներ և առանձին մոլեկուլներ, ինչպես ստատիկ, այնպես էլ դինամիկ վիճակում: Ատոմային ուժի մանրադիտակը դարձել է քիմիկոսների և նյութերագետների գործը, և այն աշխատանքների թիվը, որոնցում կիրառվում է այս մեթոդը, անընդհատ աճում է (նկ. 2):

Տարիների ընթացքում հետազոտողները պայմաններ են ընտրել ատոմային ուժի մանրադիտակի միջոցով առարկաների ինչպես շփման, այնպես էլ ոչ կոնտակտային ուսումնասիրության համար: Վերևում նկարագրված կոնտակտային մեթոդը հիմնված է վան դեր Վաալսի փոխազդեցության վրա, որը գտնվում է կոնսերտի և մակերեսի միջև: Ոչ կոնտակտային ռեժիմում աշխատելիս պիեզովիբրատորը գրգռում է զոնդի տատանումները որոշակի հաճախականությամբ (առավել հաճախ ռեզոնանսային): Մակերեւույթից ազդող ուժը հանգեցնում է նրան, որ փոխվում են զոնդի տատանումների թե՛ ամպլիտուդը, թե՛ փուլը։ Չնայած ոչ կոնտակտային մեթոդի որոշ թերություններին (առաջին հերթին արտաքին աղմուկի նկատմամբ զգայունությունը), հենց այս մեթոդն է բացառում հետազոտվող օբյեկտի վրա զոնդի ազդեցությունը, ինչը նշանակում է, որ այն ավելի հետաքրքիր է քիմիկոսների համար:

Կենդանի է զոնդերի վրա՝ հետապնդելով կապերը

Ատոմային ուժի մանրադիտակը դարձավ ոչ կոնտակտային 1998 թվականին Բիննիգի աշակերտի՝ Ֆրանց Յոզեֆ Գիսիբլի աշխատանքի շնորհիվ։ Հենց նա առաջարկեց օգտագործել կայուն հաճախականության քվարցային հղման տատանիչ որպես հենարան։ 11 տարի անց Ցյուրիխի IBM լաբորատորիայի հետազոտողները ձեռնարկեցին ոչ կոնտակտային AFM-ի մեկ այլ փոփոխություն. զոնդ-սենսորի դերը կատարում էր ոչ թե սուր ադամանդի բյուրեղը, այլ մեկ մոլեկուլը՝ ածխածնի երկօքսիդը: Սա հնարավորություն տվեց անցնել ենթաատոմային լուծման, ինչպես ցույց տվեց Լեո Գրոսը IBM-ի Ցյուրիխի բաժնից: 2009 թվականին AFM-ի օգնությամբ նա տեսանելի դարձրեց ոչ թե ատոմները, այլ քիմիական կապերը՝ ստանալով բավականին պարզ և միանշանակ ընթեռնելի «նկար» պենտացենի մոլեկուլի համար (նկ. 3; Գիտություն, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210):

Համոզված լինելով, որ քիմիական կապը կարելի է տեսնել AFM-ի հետ՝ Լեո Գրոսը որոշեց ավելի հեռուն գնալ և օգտագործել ատոմային ուժի մանրադիտակը՝ կապերի երկարությունն ու կարգերը չափելու համար՝ քիմիական կառուցվածքը և, հետևաբար, նյութերի հատկությունները հասկանալու հիմնական պարամետրերը:

Հիշեցնենք, որ կապերի կարգերի տարբերությունը ցույց է տալիս տարբեր էլեկտրոնների խտություններ և տարբեր միջատոմային հեռավորություններ երկու ատոմների միջև (պարզ բառերով ասած՝ կրկնակի կապն ավելի կարճ է, քան մեկ կապը): Էթանի մեջ ածխածին-ածխածին կապի կարգը մեկ է, էթիլենում՝ երկու, իսկ դասական արոմատիկ մոլեկուլում՝ բենզոլում, ածխածին-ածխածին կապի կարգը մեկից մեծ է, բայց երկուսից փոքր է և համարվում է 1,5։

Կապի կարգի որոշումը շատ ավելի դժվար է, երբ պարզ անուշաբույր համակարգերից անցնում ենք հարթ կամ մեծածավալ պոլիխտացված օղակաձև համակարգերի: Այսպիսով, ֆուլերեններում միաձուլված հինգ և վեց անդամներով ածխածնի ցիկլերից կազմված կապերի կարգը կարող է վերցնել մեկից երկուսի ցանկացած արժեք: Նույն անորոշությունը տեսականորեն վերաբերում է պոլիցիկլիկ արոմատիկ միացություններին։

2012 թվականին Լեո Գրոսը Ֆաբիան Մոնի հետ միասին ցույց տվեց, որ ատոմային ուժի մանրադիտակը մետաղական ոչ կոնտակտային զոնդով, որը ձևափոխված է ածխածնի օքսիդով, կարող է չափել ատոմների և միջատոմային հեռավորությունների միջև լիցքերի բաշխման տարբերությունները, այսինքն՝ կապի կարգի հետ կապված պարամետրերը։ ( Գիտություն, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621):

Դա անելու համար նրանք ուսումնասիրեցին ֆուլերենի երկու տեսակի քիմիական կապեր՝ ածխածին-ածխածին կապ, որը բնորոշ է C 60 ֆուլլերենի երկու վեցանդամ ածխածին պարունակող ցիկլերին, և ածխածին-ածխածին կապ, որը ընդհանուր է հինգ և վեց անդամի համար։ ցիկլեր. Ատոմային ուժի մանրադիտակը ցույց տվեց, որ վեց անդամ օղակների խտացումը հանգեցնում է կապի, որն ավելի կարճ է և ավելի բարձր կարգի, քան C 6 և C 5 ցիկլային բեկորների խտացումը: Հեքսաբենզոկորոնենում քիմիական կապի առանձնահատկությունների ուսումնասիրությունը, որտեղ ևս վեց C6 ցիկլեր սիմետրիկորեն տեղակայված են C 6 կենտրոնական ցիկլի շուրջ, հաստատեցին քվանտային քիմիական մոդելավորման արդյունքները, ըստ որոնց՝ կենտրոնական օղակի C-C կապերի կարգը (նկ. 4, նամակը ես) պետք է լինի ավելի մեծ, քան այն կապերը, որոնք միավորում են այս օղակը ծայրամասային ցիկլերի հետ (նկ. 4-ում, տառը ժ): Նմանատիպ արդյունքներ են ստացվել նաև ավելի բարդ բազմացիկլիկ անուշաբույր ածխաջրածնի համար, որը պարունակում է ինը վեցանդամ օղակներ։

Կապերի կարգերը և միջատոմային հեռավորությունները, իհարկե, հետաքրքրում էին օրգանական քիմիկոսներին, բայց դա ավելի կարևոր էր նրանց համար, ովքեր զբաղվում էին քիմիական կապերի տեսությամբ, ռեակտիվության կանխատեսմամբ և քիմիական ռեակցիաների մեխանիզմների ուսումնասիրությամբ։ Այնուամենայնիվ, և՛ սինթետիկ քիմիկոսները, և՛ բնական միացությունների կառուցվածքի ուսումնասիրության մասնագետները անակնկալի եկան. պարզվեց, որ ատոմային ուժի մանրադիտակը կարող է օգտագործվել մոլեկուլների կառուցվածքը հաստատելու համար այնպես, ինչպես NMR կամ IR սպեկտրոսկոպիան: Ավելին, այն միանշանակ պատասխան է տալիս այն հարցերին, որոնց հետ այս մեթոդները չեն կարողանում հաղթահարել:

Լուսանկարչությունից մինչև կինո

2010 թվականին նույն Լեո Գրոսը և Ռայներ Էբելը կարողացան միանշանակորեն հաստատել բակտերիայից մեկուսացված բնական միացության՝ ցեֆալանդոլ Ա-ի կառուցվածքը։ Dermacoccus abyssi(Բնության քիմիա, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765): Ցեֆալանդոլ Ա-ի բաղադրությունը նախկինում որոշվել էր զանգվածային սպեկտրոմետրիայի միջոցով, սակայն այս միացության NMR սպեկտրների վերլուծությունը միանշանակ պատասխան չտվեց դրա կառուցվածքի հարցին. հնարավոր էր չորս տարբերակ: Օգտագործելով ատոմային ուժի մանրադիտակ՝ հետազոտողները անմիջապես բացառեցին չորս կառույցներից երկուսը և ճիշտ ընտրություն կատարեցին մնացած երկուսի մեջ՝ համեմատելով AFM-ի և քվանտային քիմիական մոդելավորման միջոցով ստացված արդյունքները: Առաջադրանքը բարդ է ստացվել. ի տարբերություն պենտացենի, ֆուլերենի և կորոնենների, ցեֆալանդոլ A-ն պարունակում է ոչ միայն ածխածնի և ջրածնի ատոմներ, բացի այդ, այս մոլեկուլը չունի համաչափության հարթություն (նկ. 5), բայց այս խնդիրը նույնպես լուծվել է։

Հետագա հաստատումը, որ ատոմային ուժի մանրադիտակը կարող է օգտագործվել որպես վերլուծական գործիք, ստացվել է Օսկար Կուստանցի խմբից, այնուհետև Օսակայի համալսարանի ճարտարագիտական ​​դպրոցում: Նա ցույց տվեց, թե ինչպես, օգտագործելով AFM, տարբերել ատոմները, որոնք շատ ավելի քիչ են տարբերվում միմյանցից, քան ածխածինը և ջրածինը ( Բնություն, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530): Կուստանցը ուսումնասիրեց սիլիցիումից, անագից և կապարից կազմված համաձուլվածքի մակերեսը՝ յուրաքանչյուր տարրի հայտնի պարունակությամբ: Բազմաթիվ փորձերի արդյունքում նա պարզել է, որ ուժը, որն առաջանում է AFM զոնդի ծայրի և տարբեր ատոմների միջև, տարբերվում է (նկ. 6)։ Այսպիսով, օրինակ, ամենաուժեղ փոխազդեցությունը նկատվել է սիլիցիումի զոնդավորման ժամանակ, իսկ ամենաթույլը՝ կապարի զոնդավորման ժամանակ։

Ենթադրվում է, որ ապագայում առանձին ատոմների ճանաչման համար ատոմային ուժային մանրադիտակի արդյունքները կմշակվեն այնպես, ինչպես NMR-ի արդյունքները՝ հարաբերական արժեքների համեմատությամբ: Քանի որ սենսորային ասեղի ճշգրիտ կազմը դժվար է վերահսկել, սենսորի և մակերևույթի տարբեր ատոմների միջև ուժի բացարձակ արժեքը կախված է փորձարարական պայմաններից և սարքի ապրանքանիշից, սակայն այդ ուժերի հարաբերակցությունը ցանկացած կազմի և ձևի համար: սենսորը մնում է հաստատուն յուրաքանչյուր քիմիական տարրի համար:

2013 թվականին հայտնվեցին AFM-ի օգտագործման առաջին օրինակները՝ քիմիական ռեակցիաներից առաջ և հետո առանձին մոլեկուլների պատկերներ ստանալու համար. Գիտություն, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi՝ 10.1126/science.1238187):

Ֆելիքս Ֆիշերը և Բերկլիի Կալիֆոռնիայի համալսարանի Մայքլ Քրոմին մակերեսին արծաթ են քսել 1,2-բիս[(2-էթինիլֆենիլ)էթինիլ]բենզոլ, պատկերեց մոլեկուլները և տաքացրեց մակերեսը՝ ցիկլացումը սկսելու համար: Բնօրինակ մոլեկուլների կեսը վերածվել է պոլիցիկլիկ անուշաբույր կառուցվածքների, որոնք բաղկացած են միաձուլված հինգ վեցանդամ և երկու հինգանդամ օղակներից։ Մոլեկուլների մեկ քառորդը ձևավորեց կառուցվածքներ, որոնք բաղկացած էին չորս վեցանդամ ցիկլերից, որոնք կապված են մեկ չորս անդամի և երկու հինգանդամ ցիկլերի միջոցով (նկ. 7): Մնացած արտադրատեսակները օլիգոմերային կառուցվածքներ էին և աննշան քանակությամբ՝ պոլիցիկլիկ իզոմերներ։

Այս արդյունքները երկու անգամ զարմացրել են հետազոտողներին։ Նախ, ռեակցիայի ընթացքում ձևավորվել են միայն երկու հիմնական արտադրանք. Երկրորդ՝ նրանց կառուցվածքը զարմանք է առաջացրել։ Ֆիշերը նշում է, որ քիմիական ինտուիցիան և փորձը հնարավորություն են տվել նկարել ռեակցիայի տասնյակ հնարավոր արտադրանքներ, բայց դրանցից ոչ մեկը չի համապատասխանում մակերեսի վրա գոյացած միացություններին: Հնարավոր է, որ սկզբնական նյութերի փոխազդեցությունը սուբստրատի հետ նպաստել է ատիպիկ քիմիական պրոցեսների առաջացմանը։

Բնականաբար, քիմիական կապերի ուսումնասիրության առաջին լուրջ հաջողություններից հետո որոշ հետազոտողներ որոշեցին օգտագործել AFM՝ ավելի թույլ և քիչ ուսումնասիրված միջմոլեկուլային փոխազդեցությունները, մասնավորապես՝ ջրածնային կապերը դիտարկելու համար: Սակայն այս ոլորտում աշխատանքները դեռ նոր են սկսվում, և դրանց արդյունքները հակասական են։ Այսպիսով, որոշ հրապարակումներում նշվում է, որ ատոմային ուժի մանրադիտակը հնարավորություն է տվել դիտարկել ջրածնային կապը ( Գիտություն, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), մյուսներում նրանք պնդում են, որ դրանք պարզապես արտեֆակտներ են՝ պայմանավորված սարքի նախագծման առանձնահատկություններով, և փորձարարական արդյունքները պետք է ավելի ուշադիր մեկնաբանվեն ( Ֆիզիկական վերանայման նամակներ, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102): Թերևս վերջնական պատասխանը այն հարցին, թե արդյոք հնարավոր է ջրածնի և այլ միջմոլեկուլային փոխազդեցությունները դիտարկել ատոմային ուժի մանրադիտակի միջոցով, կստացվի արդեն այս տասնամյակում: Դա անելու համար անհրաժեշտ է առնվազն մի քանի անգամ բարձրացնել AFM լուծաչափը և սովորել, թե ինչպես ստանալ պատկերներ առանց աղմուկի ( Ֆիզիկական ակնարկ Բ, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).

Մեկ մոլեկուլի սինթեզ

Հմուտ ձեռքերում և՛ STM-ը, և՛ AFM-ն նյութն ուսումնասիրելու ունակ գործիքներից վերածվում են գործիքների, որոնք կարող են ուղղորդված կերպով փոխել նյութի կառուցվածքը: Այս սարքերի օգնությամբ արդեն հնարավոր է եղել ձեռք բերել «ամենափոքր քիմիական լաբորատորիաները», որոնցում կոլբայի փոխարեն օգտագործվում է սուբստրատ, իսկ ռեակտիվների մոլերի կամ միլիմոլների փոխարեն՝ առանձին մոլեկուլներ։

Օրինակ, 2016-ին գիտնականների միջազգային թիմը Տակաշի Կումագայի գլխավորությամբ օգտագործեց ատոմային ուժի ոչ կոնտակտային մանրադիտակ՝ պորֆիցենի մոլեկուլն իր ձևերից մեկից մյուսը տեղափոխելու համար ( Բնության քիմիա, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552): Պորֆիցենը կարելի է համարել որպես պորֆիրինի մոդիֆիկացում, որի ներքին ցիկլը պարունակում է չորս ազոտի ատոմ և երկու ջրածնի ատոմ։ AFM զոնդի թրթռումները բավականաչափ էներգիա են փոխանցել պորֆիցենի մոլեկուլին՝ այդ ջրածինները ազոտի մի ատոմից մյուսը փոխանցելու համար, և արդյունքում ստացվել է այս մոլեկուլի «հայելային պատկերը» (նկ. 8):

Անխոնջ Լեո Գրոսի գլխավորած խումբը նույնպես ցույց տվեց, որ հնարավոր է սկսել մեկ մոլեկուլի ռեակցիա՝ նրանք դիբրոմոանտրացենը վերածեցին տասը անդամներից բաղկացած ցիկլային դիինի (նկ. 9; Բնության քիմիա, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300): Ի տարբերություն Կումագայի և այլոց, նրանք օգտագործել են սկանավորող թունելային մանրադիտակ՝ մոլեկուլն ակտիվացնելու համար, և ռեակցիայի արդյունքը վերահսկվել է ատոմային ուժի մանրադիտակի միջոցով։

Սկանավորող թունելային մանրադիտակի և ատոմային ուժի մանրադիտակի համակցված օգտագործումը նույնիսկ հնարավորություն տվեց ձեռք բերել այնպիսի մոլեկուլ, որը չի կարող սինթեզվել դասական տեխնիկայի և մեթոդների միջոցով ( Բնության Նանոտեխնոլոգիա, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305): Այս եռանկյունլենն անկայուն անուշաբույր դիռադիկալ է, որի գոյությունը կանխատեսվել էր դեռ վեց տասնամյակ առաջ, սակայն սինթեզի բոլոր փորձերն անհաջող էին (նկ. 10): Նիկո Պավլիչեկի խմբի քիմիկոսները ստացան ցանկալի միացությունը՝ հեռացնելով դրա պրեկուրսորից երկու ատոմ՝ STM-ի միջոցով և հաստատելով սինթետիկ արդյունքը՝ օգտագործելով AFM:

Ենթադրվում է, որ օրգանական քիմիայում ատոմային ուժային մանրադիտակի կիրառմանը նվիրված աշխատանքների թիվը կշարունակի աճել։ Ներկայումս ավելի ու ավելի շատ գիտնականներ փորձում են ռեակցիայի մակերեսին կրկնել հայտնի «լուծույթների քիմիան»։ Բայց, հավանաբար, սինթետիկ քիմիկոսները կսկսեն լուծույթում վերարտադրել այն ռեակցիաները, որոնք սկզբնապես իրականացվել են մակերեսի վրա՝ օգտագործելով AFM:

Ոչ ապրողից մինչև ապրող

Ատոմային ուժային մանրադիտակների կոնսուլյարները և զոնդերը կարող են օգտագործվել ոչ միայն անալիտիկ ուսումնասիրությունների կամ էկզոտիկ մոլեկուլների սինթեզի, այլև կիրառական խնդիրների լուծման համար։ Բժշկության մեջ AFM-ի կիրառման դեպքերն արդեն հայտնի են, օրինակ՝ քաղցկեղի վաղ ախտորոշման համար, և այստեղ առաջամարտիկը նույն Քրիստոֆեր Գերբերն է, ով ձեռք է բերել ատոմային ուժի մանրադիտակի սկզբունքի մշակման և AFM-ի ստեղծման գործում։

Այսպիսով, Գերբերին հաջողվել է սովորեցնել AFM-ին որոշել մելանոմայում ռիբոնուկլեինաթթվի կետային մուտացիան (բիոպսիայի արդյունքում ստացված նյութի վրա)։ Դա անելու համար ատոմային ուժի մանրադիտակի ոսկյա շարանը փոփոխվել է օլիգոնուկլեոտիդներով, որոնք կարող են միջմոլեկուլային փոխազդեցության մեջ մտնել ՌՆԹ-ի հետ, և այս փոխազդեցության ուժը դեռևս կարելի է չափել պիեզոէլեկտրական էֆեկտի շնորհիվ: AFM սենսորի զգայունությունն այնքան բարձր է, որ այն արդեն օգտագործվում է CRISPR-Cas9 գենոմի խմբագրման հանրաճանաչ մեթոդի արդյունավետությունն ուսումնասիրելու համար։ Այն միավորում է տարբեր սերունդների հետազոտողների կողմից ստեղծված տեխնոլոգիաները:

Վերափոխելով քաղաքական տեսություններից մեկի դասականը, կարող ենք ասել, որ մենք արդեն տեսնում ենք ատոմային ուժային մանրադիտակի անսահման հնարավորություններն ու անսպառությունը և դժվար թե պատկերացնենք, թե ինչ է սպասվում այդ տեխնոլոգիաների հետագա զարգացման հետ կապված։ Բայց նույնիսկ այսօր, սկանավորող թունելային մանրադիտակը և ատոմային ուժային մանրադիտակը մեզ հնարավորություն են տալիս տեսնել ատոմները և դիպչել դրանց: Կարելի է ասել, որ սա ոչ միայն մեր աչքերի երկարացումն է, որը թույլ է տալիս նայել ատոմների և մոլեկուլների միկրոտիեզերքին, այլ նաև նոր աչքեր, նոր մատներ, որոնք կարող են դիպչել այս միկրոտիեզերքին և կառավարել այն:

Ատոմը (հունարեն «անբաժանելի» բառից) ժամանակին մանրադիտակային չափերի նյութի ամենափոքր մասնիկն է, քիմիական տարրի ամենափոքր մասը, որն ունի իր հատկությունները։ Ատոմի բաղադրամասերը՝ պրոտոնները, նեյտրոնները, էլեկտրոնները, այլևս չունեն այդ հատկությունները և կազմում են դրանք միասին։ Կովալենտ ատոմները կազմում են մոլեկուլներ։ Գիտնականներն ուսումնասիրում են ատոմի առանձնահատկությունները, և թեև դրանք արդեն բավականին լավ ուսումնասիրված են, նրանք հնարավորությունը բաց չեն թողնում նոր բան գտնելու, մասնավորապես՝ նոր նյութերի և նոր ատոմների ստեղծման ոլորտում (շարունակելով պարբերական աղյուսակը): Ատոմի զանգվածի 99,9%-ը գտնվում է միջուկում։

Մի վախեցեք վերնագրից. Սև խոռոչը, որը պատահաբար ստեղծվել է National Accelerator Laboratory SLAC-ի աշխատակիցների կողմից, պարզվել է, որ չափի է միայն մեկ ատոմ, ուստի մեզ ոչինչ չի սպառնում։ Իսկ «սև փոս» անվանումը միայն հեռակա է նկարագրում հետազոտողների կողմից նկատված երեւույթը։ Մենք ձեզ բազմիցս պատմել ենք աշխարհի ամենահզոր ռենտգեն լազերի մասին, որը կոչվում է

Այս լուսանկարում դուք դիտում եք ատոմի շուրջ էլեկտրոնի ուղեծրի առաջին ուղիղ պատկերը՝ իրականում ատոմի ալիքային ֆունկցիան:

Ջրածնի ատոմի ուղեծրային կառուցվածքը լուսանկարելու համար հետազոտողները օգտագործել են վերջին քվանտային մանրադիտակը՝ անհավանական սարք, որը թույլ է տալիս գիտնականներին նայել քվանտային ֆիզիկայի բնագավառ:

Ատոմում տարածության ուղեծրային կառուցվածքը զբաղեցնում է էլեկտրոնը։ Բայց նյութի այս մանրադիտակային հատկությունները նկարագրելիս գիտնականները հիմնվում են ալիքային ֆունկցիաների վրա, մասնիկների քվանտային վիճակները նկարագրելու մաթեմատիկական եղանակներին, մասնավորապես, թե ինչպես են նրանք վարվում տարածության և ժամանակի մեջ:

Որպես կանոն, Շրյոդինգերի հավասարման նման բանաձևերը քվանտային ֆիզիկայում օգտագործվում են մասնիկների վիճակները նկարագրելու համար։

Խոչընդոտներ հետազոտողների ճանապարհին

Մինչ այժմ գիտնականները իրականում երբեք չեն դիտարկել ալիքի ֆունկցիան: Միայնակ էլեկտրոնի ճշգրիտ դիրքը կամ թափը ֆիքսելու փորձը նման էր ճանճերի պարս բռնելու փորձին: Ուղիղ դիտարկումները խեղաթյուրվել են շատ տհաճ երեւույթով՝ քվանտային կապակցությամբ։

Բոլոր քվանտային վիճակները չափելու համար ձեզ անհրաժեշտ է գործիք, որը ժամանակի ընթացքում կարող է չափել մասնիկի վիճակները:

Բայց ինչպե՞ս բարձրացնել քվանտային մասնիկի արդեն մանրադիտակային վիճակը: Պատասխանը գտել են միջազգային հետազոտողների խումբը։ Քվանտային մանրադիտակով, սարք, որն օգտագործում է ֆոտոիոնացում՝ ուղղակիորեն դիտարկելու ատոմային կառուցվածքները։

Հանրահայտ Physical Review Letters ամսագրում իր հոդվածում Անետա Ստոդոլնան Նիդեռլանդների Մոլեկուլային ֆիզիկայի ինստիտուտից (AMOLF) նկարագրում է, թե ինչպես է նա և իր թիմը ստացել ստատիկ էլեկտրական դաշտում տեղադրված ջրածնի ատոմի հանգուցային էլեկտրոնային ուղեծրային կառուցվածքները:

Աշխատանքի մեթոդ

Լազերային իմպուլսներով ճառագայթումից հետո իոնացված էլեկտրոնները լքեցին իրենց ուղեծրերը և չափված հետագծի երկայնքով ընկան 2D դետեկտորի մեջ (կրկնակի միկրոալիքային ափսե: Դետեկտորը գտնվում է բուն դաշտին ուղղահայաց): Կան բազմաթիվ հետագծեր, որոնց երկայնքով էլեկտրոնները կարող են շարժվել նախքան դետեկտորի հետ բախվելը: Սա հետազոտողներին տրամադրում է մի շարք միջամտությունների օրինաչափություններ, մոդելներ, որոնք արտացոլում են ալիքային ֆունկցիայի հանգույցային կառուցվածքը:
Հետազոտողները օգտագործել են էլեկտրաստատիկ ոսպնյակ, որը մեծացնում է էլեկտրոնների ելքային ալիքը ավելի քան 20000 անգամ:

Ջրածնի ատոմը գրավում է էլեկտրոնային ամպերը: Եվ չնայած ժամանակակից ֆիզիկոսները կարող են նույնիսկ արագացուցիչների օգնությամբ որոշել պրոտոնի ձևը, ջրածնի ատոմը, ըստ երևույթին, կմնա ամենափոքր օբյեկտը, որի պատկերը իմաստ ունի անվանել լուսանկար: «Լենտա.ռու»-ն ներկայացնում է միկրոաշխարհը լուսանկարելու ժամանակակից մեթոդների ակնարկ։

Խիստ ասած՝ այս օրերին սովորական լուսանկարչություն գրեթե չի մնացել։ Պատկերները, որոնք մենք սովորաբար անվանում ենք լուսանկարներ և կարող ենք գտնել, օրինակ, Lenta.ru-ի ցանկացած ֆոտոշարքում, իրականում համակարգչային մոդելներ են: Լուսազգայուն մատրիցը հատուկ սարքում (ավանդաբար այն դեռ կոչվում է «տեսախցիկ») որոշում է լույսի ինտենսիվության տարածական բաշխումը մի քանի տարբեր սպեկտրային տիրույթներում, կառավարման էլեկտրոնիկան պահպանում է այդ տվյալները թվային ձևով, այնուհետև մեկ այլ էլեկտրոնային միացում՝ հիմնված։ այս տվյալների վրա հրահանգ է տալիս տրանզիստորներին հեղուկ բյուրեղային էկրանին: Ֆիլմ, թուղթ, դրանց մշակման հատուկ լուծումներ՝ այս ամենը էկզոտիկ է դարձել։ Իսկ եթե հիշենք բառի բառացի իմաստը, ապա լուսանկարչությունը «լուսանկարչություն» է։ Այսպիսով, ինչ ասել, որ գիտնականներին հաջողվել է լուսանկարելատոմ, հնարավոր է միայն բավականին պայմանականության դեպքում:

Բոլոր աստղագիտական ​​պատկերների կեսից ավելին վաղուց արվել են ինֆրակարմիր, ուլտրամանուշակագույն և ռենտգենյան աստղադիտակներով: Էլեկտրոնային մանրադիտակները ճառագայթում են ոչ թե լույսով, այլ էլեկտրոնային ճառագայթով, մինչդեռ ատոմային ուժային մանրադիտակները սկանավորում են նմուշի ռելիեֆը ասեղով։ Կան ռենտգենյան մանրադիտակներ և մագնիսական ռեզոնանսային պատկերման սկաներներ։ Այս բոլոր սարքերը մեզ տալիս են տարբեր առարկաների ճշգրիտ պատկերներ, և չնայած այն հանգամանքին, որ այստեղ, իհարկե, չարժե խոսել «թեթև նկարչության» մասին, մենք դեռ թույլ ենք տալիս նման պատկերները անվանել լուսանկար:

Պրոտոնի ձևը կամ մասնիկների ներսում քվարկների բաշխումը որոշելու համար ֆիզիկոսների փորձերը կմնան կուլիսներում. մեր պատմությունը կսահմանափակվի ատոմների մասշտաբով:

Օպտիկան երբեք չի հնանում

Ինչպես պարզվեց 20-րդ դարի երկրորդ կեսին, օպտիկական մանրադիտակները դեռ զարգանալու տեղ ունեն։ Կենսաբանական և բժշկական հետազոտությունների որոշիչ պահը լյումինեսցենտային ներկերի և որոշ նյութերի ընտրովի պիտակավորման մեթոդների հայտնվելն էր: Դա «պարզապես նոր ներկ» չէր, դա իսկական հեղափոխություն էր։

Հակառակ տարածված թյուր կարծիքի, ֆլյուորեսցենցիան ամենևին էլ մթության մեջ փայլ չէ (վերջինս կոչվում է լյումինեսցենտ): Սա որոշակի էներգիայի (ասենք՝ կապույտ լույսի) քվանտների կլանման երևույթն է՝ ավելի ցածր էներգիայի այլ քվանտների և, համապատասխանաբար, այլ լույսի հետագա արտանետմամբ (երբ կապույտը ներծծվում է, կարձակվի կանաչ): Եթե ​​դուք դնում եք զտիչ, որը թույլ է տալիս անցնել միայն ներկի արտանետվող քվանտան և արգելափակում է լույսը, որն առաջացնում է լյումինեսցենտ, դուք կարող եք տեսնել մուգ ֆոն՝ ներկերի վառ բծերով, իսկ ներկերը, իրենց հերթին, կարող են չափազանց ընտրովի գունավորել նմուշը։ .

Օրինակ՝ կարող եք կարմիր գույնով ներկել նյարդային բջջի ցիտոկմախքը, կանաչ գույնով ընդգծել սինապսները և կապույտով ընդգծել միջուկը։ Դուք կարող եք լյումինեսցենտային պիտակ պատրաստել, որը թույլ կտա որոշակի պայմաններում հայտնաբերել սպիտակուցային ընկալիչները մեմբրանի կամ բջջի կողմից սինթեզված մոլեկուլների վրա: Իմունոհիստոքիմիական ներկման մեթոդը հեղաշրջում է կատարել կենսաբանական գիտության մեջ: Եվ երբ գենետիկ ինժեներները սովորեցին, թե ինչպես կարելի է տրանսգեն կենդանիներ պատրաստել լյումինեսցենտային սպիտակուցներով, այս մեթոդը վերածնվեց. օրինակ, տարբեր գույներով ներկված նեյրոններով մկները իրականություն դարձան:

Բացի այդ, ինժեներները հայտնագործեցին (և կիրառեցին) այսպես կոչված կոնֆոկալ մանրադիտակի մեթոդը: Դրա էությունը կայանում է նրանում, որ մանրադիտակը կենտրոնանում է շատ բարակ շերտի վրա, և հատուկ դիֆրագմը կտրում է այս շերտից դուրս գտնվող առարկաների կողմից ստեղծված լույսը: Նման մանրադիտակը կարող է հաջորդաբար սկանավորել նմուշը վերևից ներքև և ստանալ պատկերների կույտ, որը պատրաստի հիմք է եռաչափ մոդելի համար։

Լազերների և օպտիկական ճառագայթների կառավարման բարդ համակարգերի կիրառումը թույլ է տվել լուծել վառ լույսի ներքո նուրբ կենսաբանական նմուշների ներկերի մարման և չորացման խնդիրը. լազերային ճառագայթը սկանավորում է նմուշը միայն այն դեպքում, երբ դա անհրաժեշտ է պատկերման համար: Եվ որպեսզի ժամանակ և ջանք չկորցնեն նեղ տեսադաշտով ակնաբույժի միջոցով մեծ պատրաստուկը զննելու վրա, ինժեներները առաջարկեցին ավտոմատ սկանավորման համակարգ. կարելի է նմուշով բաժակ դնել ժամանակակից մանրադիտակի օբյեկտի բեմում և սարքն ինքնուրույն կնկարահանի ամբողջ նմուշի լայնածավալ համայնապատկերը: Միևնույն ժամանակ, ճիշտ վայրերում, նա կկենտրոնանա, իսկ հետո կսոսնձի բազմաթիվ շրջանակներ։

Որոշ մանրադիտակներ կարող են տեղավորել կենդանի մկներ, առնետներ կամ առնվազն փոքր անողնաշարավորներ: Մյուսները մի փոքր աճ են տալիս, բայց զուգակցվում են ռենտգեն մեքենայի հետ: Վիբրացիոն միջամտությունը վերացնելու համար շատերը տեղադրվում են մի քանի տոննա կշռող հատուկ սեղանների վրա՝ փակ տարածքներում՝ խնամքով վերահսկվող միկրոկլիմայով: Նման համակարգերի արժեքը գերազանցում է այլ էլեկտրոնային մանրադիտակների արժեքը, իսկ ամենագեղեցիկ շրջանակի մրցույթները վաղուց ավանդույթ են դարձել: Բացի այդ, օպտիկայի կատարելագործումը շարունակվում է. ապակու լավագույն տեսակների որոնումից և ոսպնյակների օպտիմալ համակցությունների ընտրությունից ինժեներները անցել են լույսի կենտրոնացման ուղիներին:

Մենք հատուկ թվարկել ենք մի շարք տեխնիկական մանրամասներ, որպեսզի ցույց տանք, որ կենսաբանական հետազոտությունների առաջընթացը վաղուց կապված է այլ ոլորտներում առաջընթացի հետ: Եթե ​​չլինեին համակարգիչներ, որոնք կարող էին ավտոմատ կերպով հաշվել ներկված բջիջների թիվը մի քանի հարյուր լուսանկարներում, ապա սուպերմանրադիտակները քիչ օգուտ կքաղեին: Եվ առանց լյումինեսցենտային ներկերի, բոլոր միլիոնավոր բջիջները միմյանցից չէին տարբերվում, ուստի գրեթե անհնար կլիներ հետևել նորերի ձևավորմանը կամ հների մահվանը:

Իրականում առաջին մանրադիտակը սեղմիչ էր, որի վրա ամրացված էր գնդաձեւ ոսպնյակ: Նման մանրադիտակի անալոգը կարող է լինել պարզ խաղաքարտը, որի վրա բացված անցք կա և մի կաթիլ ջուր: Որոշ տեղեկությունների համաձայն՝ նման սարքերը Կոլիմայի ոսկու հանքագործների կողմից օգտագործվել են արդեն անցյալ դարում։

Դիֆրակցիոն սահմանից այն կողմ

Օպտիկական մանրադիտակները հիմնարար թերություն ունեն. Փաստն այն է, որ լույսի ալիքների ձևից անհնար է վերականգնել այն առարկաների ձևը, որոնք պարզվել է, որ շատ ավելի փոքր են, քան ալիքի երկարությունը. դուք կարող եք նույնքան փորձել ուսումնասիրել նյութի նուրբ հյուսվածքը ձեր ձեռքով: հաստ եռակցման ձեռնոց:

Դիֆրակցիայի արդյունքում ստեղծված սահմանափակումները մասամբ հաղթահարվել են և առանց ֆիզիկայի օրենքների խախտման։ Երկու հանգամանք օգնում է օպտիկական մանրադիտակներին սուզվել դիֆրակցիոն պատնեշի տակ. այն փաստը, որ ֆլյուորեսցենցիայի ժամանակ քվանտաներն արտանետվում են ներկերի առանձին մոլեկուլներով (որոնք կարող են բավականին հեռու լինել միմյանցից), և այն, որ լուսային ալիքների վրա դնելով հնարավոր է ստանալ պայծառ ալիքի երկարությունից փոքր տրամագծով կետ:

Երբ միմյանց վրա դրված են, լույսի ալիքները կարող են չեղյալ համարել միմյանց, հետևաբար, նմուշի լուսավորության պարամետրերն այնպիսին են, որ ամենափոքր հնարավոր տարածքը ընկնում է պայծառ շրջանի մեջ: Մաթեմատիկական ալգորիթմների հետ համատեղ, որոնք կարող են, օրինակ, հեռացնել ուրվականությունը, նման ուղղորդված լուսավորությունը ապահովում է պատկերի որակի կտրուկ բարելավում: Հնարավոր է դառնում, օրինակ, ներբջջային կառույցները հետազոտել օպտիկական մանրադիտակով և նույնիսկ (նկարագրված մեթոդը համակցելով կոնֆոկալ մանրադիտակի հետ) ստանալ դրանց եռաչափ պատկերները։

Էլեկտրոնային մանրադիտակ էլեկտրոնային գործիքներից առաջ

Ատոմներ և մոլեկուլներ հայտնաբերելու համար գիտնականները ստիպված չէին դրանք նայել. մոլեկուլային տեսությունը օբյեկտը տեսնելու կարիք չուներ: Բայց մանրէաբանությունը հնարավոր դարձավ միայն մանրադիտակի գյուտից հետո։ Հետևաբար, սկզբում մանրադիտակները կապված էին հենց բժշկության և կենսաբանության հետ. ֆիզիկոսներ և քիմիկոսներ, ովքեր ուսումնասիրում էին շատ ավելի փոքր առարկաներ, որոնք կառավարվում էին այլ միջոցներով: Երբ նրանք նույնպես ցանկանում էին դիտել միկրոտիեզերքը, դիֆրակցիոն սահմանափակումները լուրջ խնդիր դարձան, հատկապես որ վերը նկարագրված ֆլուորեսցենտային մանրադիտակի մեթոդները դեռ անհայտ էին: Եվ անիմաստ է թույլատրելիությունը 500-ից 100 նանոմետր բարձրացնել, եթե դիտարկվող առարկան էլ ավելի քիչ է:

Իմանալով, որ էլեկտրոնները կարող են իրենց պահել և՛ որպես ալիք, և՛ որպես մասնիկ, Գերմանիայից ֆիզիկոսները 1926 թվականին ստեղծեցին էլեկտրոնային ոսպնյակ: Դրա հիմքում ընկած գաղափարը շատ պարզ և հասկանալի էր ցանկացած դպրոցականի համար. քանի որ էլեկտրամագնիսական դաշտը շեղում է էլեկտրոնները, այն կարող է օգտագործվել այդ մասնիկների փնջի ձևը փոխելու համար՝ դրանք իրարից բաժանելով, կամ, ընդհակառակը, նվազեցնելու տրամագիծը։ ճառագայթը. Հինգ տարի անց՝ 1931 թվականին, Էռնստ Ռուսկան և Մաքս Նոլը կառուցեցին աշխարհում առաջին էլեկտրոնային մանրադիտակը։ Սարքում նմուշը սկզբում լուսավորվել է էլեկտրոնային ճառագայթով, իսկ հետո էլեկտրոնային ոսպնյակն ընդլայնել է ճառագայթը, որն անցել է մինչ այն ընկել է հատուկ լուսարձակող էկրանի վրա։ Առաջին մանրադիտակը տալիս էր ընդամենը 400 անգամ մեծացում, բայց լույսի փոխարինումը էլեկտրոններով ճանապարհ հարթեց հարյուր հազարավոր անգամ խոշորացմամբ լուսանկարելու համար. դիզայներներին մնում էր միայն մի քանի տեխնիկական խոչընդոտներ հաղթահարել:

Էլեկտրոնային մանրադիտակը հնարավորություն տվեց ուսումնասիրել բջիջների կառուցվածքն այնպիսի որակով, որը նախկինում անհասանելի էր։ Բայց այս պատկերից անհնար է հասկանալ բջիջների տարիքը և դրանցում որոշակի սպիտակուցների առկայությունը, և այս տեղեկությունը շատ անհրաժեշտ է գիտնականներին։

Էլեկտրոնային մանրադիտակներն այժմ թույլ են տալիս վիրուսների մոտիկից լուսանկարներ անել: Կան սարքերի տարբեր ձևափոխումներ, որոնք թույլ են տալիս ոչ միայն փայլել բարակ հատվածներով, այլև դրանք դիտարկել «արտացոլված լույսի» մեջ (անշուշտ, արտացոլված էլեկտրոններում): Մենք մանրամասն չենք խոսի մանրադիտակների բոլոր տարբերակների մասին, սակայն նշում ենք, որ վերջերս հետազոտողները սովորել են, թե ինչպես վերականգնել պատկերը դիֆրակցիոն օրինաչափությունից:

Հպեք, չտեսնեք

Հերթական հեղափոխությունը եղավ «լուսավորիր և տես» սկզբունքից հետագա շեղման հաշվին։ Ատոմային ուժի մանրադիտակը, ինչպես նաև սկանավորող թունելային մանրադիտակն այլևս չի փայլում նմուշների մակերեսին: Փոխարենը, հատուկ բարակ ասեղը շարժվում է մակերեսով, որը բառացիորեն ցատկում է նույնիսկ մեկ ատոմի չափ բշտիկների վրա:

Չխորանալով նման բոլոր մեթոդների մանրամասների մեջ, մենք նշում ենք հիմնականը. թունելային մանրադիտակի ասեղը կարող է ոչ միայն տեղափոխել մակերեսի երկայնքով, այլև օգտագործել ատոմները տեղից տեղ վերադասավորելու համար: Ահա թե ինչպես են գիտնականները ստեղծում գրություններ, գծանկարներ և նույնիսկ մուլտֆիլմեր, որոնցում նկարված տղան խաղում է ատոմի հետ։ Իրական քսենոնի ատոմ, որը քաշվում է սկանավորող թունելային մանրադիտակի ծայրով:

Թունելի մանրադիտակը կոչվում է, քանի որ այն օգտագործում է ասեղի միջով հոսող թունելային հոսանքի ազդեցությունը. էլեկտրոնները անցնում են ասեղի և մակերեսի միջև ընկած բացվածքով` քվանտային մեխանիկայի կողմից կանխատեսված թունելային էֆեկտի պատճառով: Այս սարքի աշխատանքի համար անհրաժեշտ է վակուում:

Ատոմային ուժի մանրադիտակը (AFM) շատ ավելի քիչ պահանջկոտ է շրջակա միջավայրի պայմանների համար. այն կարող է (մի շարք սահմանափակումներով) աշխատել առանց օդի մղման: Ինչ-որ իմաստով, AFM-ը գրամոֆոնի նանոտեխնոլոգիական իրավահաջորդն է: Ասեղ, որը տեղադրված է բարակ և ճկուն հենակետի վրա ( հենարանև կա «փակագծ»), շարժվում է մակերևույթի երկայնքով՝ առանց դրա վրա լարում կիրառելու և հետևում է նմուշի ռելիեֆին այնպես, ինչպես գրամոֆոնի ասեղը հետևում է գրամոֆոնի ձայնագրության ակոսների երկայնքով։ Կանտի ծռվելը հանգեցնում է նրան, որ դրա վրա ամրացված հայելին շեղվում է, հայելին շեղում է լազերային ճառագայթը, և դա հնարավորություն է տալիս շատ ճշգրիտ որոշել ուսումնասիրվող նմուշի ձևը։ Հիմնական բանը ասեղը տեղափոխելու բավականին ճշգրիտ համակարգ ունենալն է, ինչպես նաև ասեղների մատակարարումը, որը պետք է լինի կատարյալ սուր: Նման ասեղների ծայրերի կորության շառավիղը չի կարող գերազանցել մեկ նանոմետրը:

AFM-ն թույլ է տալիս տեսնել առանձին ատոմներ և մոլեկուլներ, սակայն, ինչպես թունելային մանրադիտակը, այն թույլ չի տալիս նայել նմուշի մակերեսի տակ։ Այլ կերպ ասած, գիտնականները պետք է ընտրություն կատարեն ատոմները տեսնելու և ամբողջ օբյեկտը ուսումնասիրելու կարողության միջև: Այնուամենայնիվ, նույնիսկ օպտիկական մանրադիտակների համար, ուսումնասիրված նմուշների ներսը միշտ չէ, որ հասանելի է, քանի որ հանքանյութերը կամ մետաղները սովորաբար վատ են փոխանցում լույսը: Բացի այդ, դեռևս դժվարություններ կան ատոմները լուսանկարելու հետ կապված՝ այս առարկաները հայտնվում են պարզ գնդիկների տեսքով, էլեկտրոնային ամպերի ձևը նման պատկերներում տեսանելի չէ։

Սինքրոտրոնային ճառագայթումը, որն առաջանում է արագացուցիչների կողմից ցրված լիցքավորված մասնիկների դանդաղման ժամանակ, հնարավորություն է տալիս ուսումնասիրել նախապատմական կենդանիների քարացած մնացորդները։ Նմուշը ռենտգենյան ճառագայթների տակ պտտելով՝ մենք կարող ենք ստանալ եռաչափ տոմոգրաֆիա՝ այսպես, օրինակ, ուղեղը հայտնաբերվել է 300 միլիոն տարի առաջ անհետացած ձկան գանգի ներսում։ Դուք կարող եք անել առանց ռոտացիայի, եթե փոխանցվող ճառագայթման գրանցումը տեղի է ունենում դիֆրակցիայի պատճառով ցրված ռենտգենյան ճառագայթների ամրագրմամբ:

Եվ սա այն բոլոր հնարավորությունները չէ, որ բացում են ռենտգենյան ճառագայթները։ Երբ դրա հետ ճառագայթվում են, շատ նյութեր լույս են արձակում, և նյութի քիմիական բաղադրությունը կարող է որոշվել լյումինեսցենցիայի բնույթով. այս կերպ գիտնականները գունավորում են հնագույն արտեֆակտները, միջնադարում ջնջված Արքիմեդի աշխատանքները կամ փետուրների գույնը: վաղուց անհետացած թռչունների.

Պոզային ատոմներ

Ռենտգենյան կամ օպտիկական ֆլուորեսցենտային մեթոդների ընձեռած բոլոր հնարավորությունների ֆոնին առանձին ատոմների լուսանկարման նոր եղանակն այլևս այնքան էլ մեծ առաջընթաց չի թվում գիտության մեջ: Մեթոդի էությունը, որը հնարավորություն է տվել ստանալ այս շաբաթ ներկայացված պատկերները, հետևյալն է՝ էլեկտրոնները պոկվում են իոնացված ատոմներից և ուղարկվում հատուկ դետեկտոր։ Իոնացման յուրաքանչյուր գործողություն որոշակի դիրքից հանում է էլեկտրոնը և տալիս մեկ կետ «լուսանկարի» վրա։ Կուտակելով մի քանի հազար այդպիսի կետեր՝ գիտնականները ձևավորեցին նկար՝ ցույց տալով ատոմի միջուկի շուրջ էլեկտրոն գտնելու ամենահավանական վայրերը, և սա, ըստ սահմանման, էլեկտրոնային ամպ է:

Եզրափակելով, ասենք, որ առանձին ատոմներ իրենց էլեկտրոնային ամպերով տեսնելու ունակությունն ավելի շատ նման է ժամանակակից մանրադիտակի տորթի վրա դրված բալի: Գիտնականների համար կարևոր էր ուսումնասիրել նյութերի կառուցվածքը, ուսումնասիրել բջիջները և բյուրեղները, և դրանից բխող տեխնոլոգիաների զարգացումը հնարավորություն տվեց հասնել ջրածնի ատոմին: Ավելի քիչ բան արդեն տարրական մասնիկների ֆիզիկայի մասնագետների հետաքրքրության ոլորտն է։ Իսկ կենսաբանները, նյութերագետները և երկրաբանները դեռ տեղ ունեն մանրադիտակները բարելավելու նույնիսկ ատոմների համեմատ բավականին համեստ խոշորացմամբ: Օրինակ, նեյրոֆիզիոլոգիայի մասնագետները վաղուց էին ցանկանում ունենալ սարք, որը կարող է տեսնել կենդանի ուղեղի առանձին բջիջները, իսկ ռովերների ստեղծողները իրենց հոգիները կվաճառեն էլեկտրոնային մանրադիտակի համար, որը տեղավորվում է տիեզերանավի վրա և կարող է աշխատել Մարսի վրա:

Այնուամենայնիվ, ատոմը լուսանկարելը, և ոչ թե դրա որևէ մասը, չափազանց բարդ խնդիր էր թվում նույնիսկ ամենաբարձր տեխնոլոգիական սարքերով:

Փաստն այն է, որ քվանտային մեխանիկայի օրենքների համաձայն, անհնար է հավասարապես ճշգրիտ որոշել ենթաատոմային մասնիկի բոլոր հատկությունները: Տեսական ֆիզիկայի այս բաժինը կառուցված է Հայզենբերգի անորոշության սկզբունքի վրա, որն ասում է, որ անհնար է չափել մասնիկի կոորդինատները և իմպուլսը նույն ճշգրտությամբ. մի հատկության ճշգրիտ չափումները, անշուշտ, կփոխեն մյուսի մասին տվյալները:

Ուստի, տեղանքը (մասնիկների կոորդինատները) որոշելու փոխարեն քվանտային տեսությունն առաջարկում է չափել այսպես կոչված ալիքային ֆունկցիան։

Ալիքի ֆունկցիան աշխատում է մոտավորապես նույն կերպ, ինչ ձայնային ալիքը: Միակ տարբերությունն այն է, որ ձայնային ալիքի մաթեմատիկական նկարագրությունը որոշում է օդում մոլեկուլների շարժումը որոշակի վայրում, իսկ ալիքային ֆունկցիան նկարագրում է մասնիկի այս կամ այն ​​վայրում հայտնվելու հավանականությունը Շրյոդինգերի հավասարման համաձայն։

Ալիքի ֆունկցիայի չափումը նույնպես հեշտ չէ (ուղղակի դիտարկումները հանգեցնում են դրա փլուզմանը), սակայն տեսական ֆիզիկոսները կարող են մոտավորապես կանխատեսել դրա արժեքները։

Հնարավոր է փորձնականորեն չափել ալիքի ֆունկցիայի բոլոր պարամետրերը միայն այն դեպքում, եթե այն հավաքվել է ատոմների կամ մոլեկուլների միանգամայն նույնական համակարգերի վրա կատարված առանձին կործանարար չափումներից:

Հոլանդական AMOLF գիտահետազոտական ​​ինստիտուտի ֆիզիկոսները նոր մեթոդ են ներկայացրել, որը ոչ մի «վերակառուցում» չի պահանջում և իրենց աշխատանքի արդյունքները հրապարակել են Physical Review Letters ամսագրում։ Նրանց մեթոդաբանությունը հիմնված է երեք խորհրդային տեսական ֆիզիկոսների 1981 թվականի վարկածի, ինչպես նաև ավելի նոր հետազոտությունների վրա:

Փորձի ընթացքում գիտնականների թիմը երկու լազերային ճառագայթներ ուղղեց հատուկ խցիկում տեղադրված ջրածնի ատոմներին։ Նման ազդեցության արդյունքում էլեկտրոնները թողեցին իրենց ուղեծրերը այն արագությամբ և ուղղությամբ, որը որոշվում էր նրանց ալիքային ֆունկցիաներով։ Ուժեղ էլեկտրական դաշտը խցիկում, որտեղ գտնվում էին ջրածնի ատոմները, էլեկտրոններ ուղարկեց հարթ (հարթ) դետեկտորի որոշ հատվածներ։

Դետեկտորին բախվող էլեկտրոնների դիրքը որոշվել է դրանց սկզբնական արագությամբ, այլ ոչ թե խցիկում նրանց դիրքով: Այսպիսով, դետեկտորի վրա էլեկտրոնների բաշխումը գիտնականներին պատմեց այս մասնիկների ալիքային ֆունկցիայի մասին, որը նրանք ունեին, երբ նրանք լքեցին ջրածնի ատոմի միջուկի ուղեծրը:

Էլեկտրոնների շարժումները ցուցադրվել են ֆոսֆորային էկրանի վրա՝ մուգ և բաց օղակների տեսքով, որոնք գիտնականները լուսանկարել են բարձր լուծաչափով թվային տեսախցիկով։

«Մենք շատ գոհ ենք մեր արդյունքներից: Քվանտային մեխանիկան այնքան քիչ կապ ունի մարդկանց առօրյա կյանքի հետ, որ դժվար թե որևէ մեկի մտքով անցներ ստանալ ատոմի քվանտային փոխազդեցությունների իրական լուսանկար», - ասում է հետազոտության գլխավոր հեղինակ Անետա Ստոդոլնան: Նա նաև պնդում է, որ մշակված տեխնիկան կարող է ունենալ նաև գործնական կիրառություն, օրինակ՝ ստեղծել ատոմի հաստությամբ հաղորդիչներ, զարգացնել մոլեկուլային լարերի տեխնոլոգիան, ինչը զգալիորեն կբարելավի ժամանակակից էլեկտրոնային սարքերը։

«Հատկանշական է, որ փորձն իրականացվել է ջրածնի վրա, որը մեր Տիեզերքի և՛ ամենապարզ, և՛ ամենատարածված նյութն է։ Պետք է հասկանալ՝ արդյոք այս տեխնիկան կարելի է կիրառել ավելի բարդ ատոմների վրա։ Եթե այո, ապա սա մեծ առաջընթաց, որը թույլ կտա մեզ զարգացնել ոչ միայն էլեկտրոնիկան, այլև նանոտեխնոլոգիան»,- ասում է Ջեֆ Լունդին Օտտավայի համալսարանից, ով ներգրավված չէր հետազոտության մեջ:

Սակայն իրենք՝ գիտնականները, ովքեր անցկացրել են փորձը, չեն մտածում հարցի գործնական կողմի մասին։ Նրանք կարծում են, որ իրենց հայտնագործությունը առաջին հերթին վերաբերում է հիմնարար գիտությանը, որը կօգնի ավելի շատ գիտելիքներ փոխանցել ֆիզիկոսների ապագա սերունդներին։