ერთი ატომის ფოტომ გაიმარჯვა სამეცნიერო ფოტოგრაფიის კონკურსში და აი, როგორ არის ეს შესაძლებელი. ატომები ელექტრონის ფოტო

მოგეხსენებათ, სამყაროში ყველაფერი მატერიალური შედგება ატომებისგან. ატომი არის მატერიის უმცირესი ერთეული, რომელიც ატარებს თავის თვისებებს. თავის მხრივ, ატომის სტრუქტურა შედგება მიკრონაწილაკების ჯადოსნური სამისგან: პროტონები, ნეიტრონები და ელექტრონები.

უფრო მეტიც, თითოეული მიკრონაწილაკი უნივერსალურია. ანუ მსოფლიოში ვერ იპოვით ორ განსხვავებულ პროტონს, ნეიტრონს ან ელექტრონს. ყველა მათგანი აბსოლუტურად ჰგავს ერთმანეთს. და ატომის თვისებები დამოკიდებული იქნება მხოლოდ ამ მიკრონაწილაკების რაოდენობრივ შემადგენლობაზე ატომის ზოგად სტრუქტურაში.

მაგალითად, წყალბადის ატომის სტრუქტურა შედგება ერთი პროტონისა და ერთი ელექტრონისაგან. შემდეგი სირთულის მიხედვით, ჰელიუმის ატომი შედგება ორი პროტონის, ორი ნეიტრონისა და ორი ელექტრონისგან. ლითიუმის ატომი შედგება სამი პროტონისგან, ოთხი ნეიტრონისა და სამი ელექტრონისაგან და ა.შ.

ატომების სტრუქტურა (მარცხნიდან მარჯვნივ): წყალბადი, ჰელიუმი, ლითიუმი

ატომები გაერთიანებულია მოლეკულებად, ხოლო მოლეკულები აერთიანებს ნივთიერებებს, მინერალებს და ორგანიზმებს. დნმ-ის მოლეკულა, რომელიც არის მთელი სიცოცხლის საფუძველი, არის სტრუქტურა, რომელიც აწყობილია სამყაროს იმავე სამი მაგიური სამშენებლო ბლოკისგან, როგორც გზაზე დაყრილი ქვა. მიუხედავად იმისა, რომ ეს სტრუქტურა ბევრად უფრო რთულია.

კიდევ უფრო გასაოცარი ფაქტები ვლინდება, როდესაც ვცდილობთ უფრო ახლოს დავაკვირდეთ ატომური სისტემის პროპორციებსა და სტრუქტურას. ცნობილია, რომ ატომი შედგება ბირთვისა და ელექტრონებისგან, რომლებიც მოძრაობენ მის გარშემო ტრაექტორიის გასწვრივ, რომელიც აღწერს სფეროს. ანუ მას მოძრაობას ვერც კი ვუწოდებთ ამ სიტყვის ჩვეულებრივი გაგებით. ელექტრონი საკმაოდ განლაგებულია ყველგან და უშუალოდ ამ სფეროში, ქმნის ელექტრონულ ღრუბელს ბირთვის გარშემო და ქმნის ელექტრომაგნიტურ ველს.

ატომის სტრუქტურის სქემატური წარმოდგენები

ატომის ბირთვი შედგება პროტონებისა და ნეიტრონებისგან და მასში კონცენტრირებულია სისტემის თითქმის მთელი მასა. მაგრამ ამავდროულად, თავად ბირთვი იმდენად მცირეა, რომ თუ მის რადიუსს 1 სმ-მდე გაზრდით, მაშინ ატომის მთელი სტრუქტურის რადიუსი ასობით მეტრს მიაღწევს. ამრიგად, ყველაფერი, რასაც ჩვენ აღვიქვამთ მკვრივ მატერიად, შედგება მხოლოდ ფიზიკურ ნაწილაკებს შორის ენერგეტიკული კავშირების 99%-ზე მეტს და თავად ფიზიკური ფორმების 1%-ზე ნაკლებს.

მაგრამ რა არის ეს ფიზიკური ფორმები? რისგან არის დამზადებული და რა მასალისგან შედგება? ამ კითხვებზე პასუხის გასაცემად, მოდით უფრო დეტალურად განვიხილოთ პროტონების, ნეიტრონების და ელექტრონების სტრუქტურები. ასე რომ, ჩვენ კიდევ ერთი ნაბიჯით ჩავდივართ მიკროკოსმოსის სიღრმეში - სუბატომური ნაწილაკების დონეზე.

რისგან შედგება ელექტრონი?

ატომის ყველაზე პატარა ნაწილაკი არის ელექტრონი. ელექტრონს აქვს მასა, მაგრამ არა მოცულობა. მეცნიერული თვალსაზრისით, ელექტრონი არაფრისგან არ შედგება, მაგრამ არის უსტრუქტურო წერტილი.

მიკროსკოპის ქვეშ ელექტრონის დანახვა შეუძლებელია. იგი შეინიშნება მხოლოდ ელექტრონული ღრუბლის სახით, რომელიც ატომის ბირთვის გარშემო ბუნდოვან სფეროს ჰგავს. ამავდროულად, შეუძლებელია იმის თქმა, თუ სად მდებარეობს ელექტრონი დროის მომენტში. მოწყობილობებს შეუძლიათ დაიჭირონ არა თავად ნაწილაკი, არამედ მხოლოდ მისი ენერგიის კვალი. ელექტრონის არსი არ არის ჩადებული მატერიის კონცეფციაში. ის უფრო ჰგავს ცარიელ ფორმას, რომელიც არსებობს მხოლოდ მოძრაობაში და მეშვეობით.

ელექტრონში ჯერ არ არის ნაპოვნი სტრუქტურა. ეს არის იგივე წერტილის ნაწილაკი, როგორც ენერგიის კვანტი. სინამდვილეში, ელექტრონი არის ენერგია, თუმცა ეს მისი უფრო სტაბილური ფორმაა, ვიდრე სინათლის ფოტონებით წარმოდგენილი.

ამ დროისთვის ელექტრონი განუყოფლად ითვლება. ეს გასაგებია, რადგან შეუძლებელია რაღაცის გაყოფა, რომელსაც მოცულობა არ აქვს. თუმცა, თეორიაში უკვე არსებობს განვითარება, რომლის მიხედვითაც ელექტრონის შემადგენლობა შეიცავს ისეთი კვაზინაწილაკების სამეულს, როგორიცაა:

• ორბიტონი - შეიცავს ინფორმაციას ელექტრონის ორბიტალური პოზიციის შესახებ;
• სპინონი - პასუხისმგებელი ბრუნვაზე ან ბრუნვაზე;
• ჰოლონი - ატარებს ინფორმაციას ელექტრონის მუხტის შესახებ.

თუმცა, როგორც ვხედავთ, კვაზინაწილაკებს აბსოლუტურად არაფერი აქვთ საერთო მატერიასთან და მხოლოდ ინფორმაციას ატარებენ.

სხვადასხვა ნივთიერების ატომების ფოტოები ელექტრონულ მიკროსკოპში

საინტერესოა, რომ ელექტრონს შეუძლია ენერგიის კვანტების შთანთქმა, როგორიცაა სინათლე ან სითბო. ამ შემთხვევაში, ატომი გადადის ახალ ენერგეტიკულ დონეზე და ელექტრონული ღრუბლის საზღვრები ფართოვდება. ასევე ხდება, რომ ელექტრონის მიერ შთანთქმული ენერგია იმდენად დიდია, რომ მას შეუძლია ატომური სისტემიდან გადმოხტომა და მოძრაობა დამოუკიდებელ ნაწილაკად გააგრძელოს. ამავე დროს, ის იქცევა როგორც სინათლის ფოტონი, ანუ თითქოს წყვეტს ნაწილაკს და იწყებს ტალღის თვისებების გამოვლენას. ეს დადასტურდა ექსპერიმენტში.

იანგის ექსპერიმენტი

ექსპერიმენტის მსვლელობისას ელექტრონების ნაკადი მიმართული იყო ეკრანზე ორი ჭრილით. ამ ჭრილებში გავლისას ელექტრონები სხვა საპროექციო ეკრანის ზედაპირს შეეჯახნენ და კვალი დატოვეს მასზე. ელექტრონების მიერ ამ „დაბომბვის“ შედეგად, პროექციის ეკრანზე გამოჩნდა ჩარევის ნიმუში, რომელიც გაჩნდა, თუ ტალღები, მაგრამ არა ნაწილაკები, გაივლიდნენ ორ ჭრილში.

ასეთი ნიმუში ხდება იმის გამო, რომ ტალღა, რომელიც გადის ორ სლოტს შორის, იყოფა ორ ტალღად. შემდგომი გადაადგილების შედეგად ტალღები ერთმანეთს ეფარება, ზოგიერთ რაიონში კი ერთმანეთს ანადგურებს. შედეგად, ჩვენ ვიღებთ ბევრ ზოლს საპროექციო ეკრანზე, ერთის ნაცვლად, როგორც ეს იქნებოდა, თუ ელექტრონი მოიქცეოდა ნაწილაკად.

ატომის ბირთვის სტრუქტურა: პროტონები და ნეიტრონები

პროტონები და ნეიტრონები ქმნიან ატომის ბირთვს. და იმისდა მიუხედავად, რომ მთლიან მოცულობაში ბირთვი 1%-ზე ნაკლებს იკავებს, სწორედ ამ სტრუქტურაშია კონცენტრირებული სისტემის თითქმის მთელი მასა. მაგრამ პროტონებისა და ნეიტრონების სტრუქტურის ხარჯზე ფიზიკოსები აზრები იყოფა და ამ მომენტში ერთდროულად ორი თეორია არსებობს.

• თეორია #1 - სტანდარტი

სტანდარტული მოდელი ამბობს, რომ პროტონები და ნეიტრონები შედგება სამი კვარკისგან, რომლებიც დაკავშირებულია გლუონების ღრუბლით. კვარკები წერტილოვანი ნაწილაკებია, ისევე როგორც კვანტები და ელექტრონები. ხოლო გლუონები ვირტუალური ნაწილაკებია, რომლებიც უზრუნველყოფენ კვარკების ურთიერთქმედებას. თუმცა, ბუნებაში არც კვარკები და არც გლუონები არ არის ნაპოვნი, ამიტომ ეს მოდელი ექვემდებარება მწვავე კრიტიკას.

• თეორია #2 - ალტერნატივა

მაგრამ აინშტაინის მიერ შემუშავებული ალტერნატიული ერთიანი ველის თეორიის მიხედვით, პროტონი, ნეიტრონის მსგავსად, ფიზიკური სამყაროს ნებისმიერი სხვა ნაწილაკის მსგავსად, არის ელექტრომაგნიტური ველი, რომელიც ბრუნავს სინათლის სიჩქარით.

ადამიანისა და პლანეტის ელექტრომაგნიტური ველები

რა არის ატომის სტრუქტურის პრინციპები?

სამყაროში ყველაფერი - დახვეწილი და მკვრივი, თხევადი, მყარი და აირისებრი - არის მხოლოდ უთვალავი ველის ენერგეტიკული მდგომარეობა, რომელიც გაჟღენთილია სამყაროს სივრცეში. რაც უფრო მაღალია ენერგეტიკული დონე მინდორში, მით უფრო თხელი და ნაკლებად შესამჩნევია იგი. რაც უფრო დაბალია ენერგიის დონე, მით უფრო სტაბილური და ხელშესახებია იგი. ატომის სტრუქტურაში, ისევე როგორც სამყაროს ნებისმიერი სხვა ერთეულის სტრუქტურაში, დევს ასეთი ველების ურთიერთქმედება - განსხვავებული ენერგიის სიმკვრივით. გამოდის, რომ მატერია მხოლოდ გონების ილუზიაა.

ატომი (ბერძნულიდან "განუყოფელი") არის ოდესღაც მიკროსკოპული განზომილების მატერიის უმცირესი ნაწილაკი, ქიმიური ელემენტის უმცირესი ნაწილი, რომელსაც აქვს მისი თვისებები. ატომის შემადგენელ კომპონენტებს - პროტონებს, ნეიტრონებს, ელექტრონებს - აღარ აქვთ ეს თვისებები და ერთად ქმნიან მათ. კოვალენტური ატომები ქმნიან მოლეკულებს. მეცნიერები სწავლობენ ატომის მახასიათებლებს და მიუხედავად იმისა, რომ ისინი უკვე საკმაოდ კარგად არიან შესწავლილი, არ უშვებენ ხელიდან იპოვონ რაიმე ახალი - კერძოდ, ახალი მასალების და ახალი ატომების შექმნის სფეროში (გაგრძელება პერიოდული ცხრილი). ატომის მასის 99,9% ბირთვშია.

სათაურმა არ შეგაშინოთ. შავი ხვრელი, რომელიც შემთხვევით შეიქმნა ეროვნული ამაჩქარებლის ლაბორატორიის SLAC-ის თანამშრომლების მიერ, მხოლოდ ერთი ატომის ზომის აღმოჩნდა, ამიტომ არაფერი გვემუქრება. და სახელი "შავი ხვრელი" მხოლოდ დისტანციურად აღწერს მკვლევართა მიერ დაკვირვებულ ფენომენს. ჩვენ არაერთხელ გითხარით მსოფლიოში ყველაზე ძლიერი რენტგენის ლაზერის შესახებ, ე.წ

თუმცა, თავად ატომის და არა მისი რომელიმე ნაწილის გადაღება უკიდურესად რთული ამოცანა იყო, თუნდაც ყველაზე მაღალტექნოლოგიური მოწყობილობებით.

ფაქტია, რომ კვანტური მექანიკის კანონების მიხედვით, შეუძლებელია სუბატომური ნაწილაკების ყველა თვისების თანაბრად ზუსტად განსაზღვრა. თეორიული ფიზიკის ეს განყოფილება აგებულია ჰაიზენბერგის გაურკვევლობის პრინციპზე, რომელიც აცხადებს, რომ შეუძლებელია ნაწილაკების კოორდინატებისა და იმპულსის გაზომვა იმავე სიზუსტით - ერთი თვისების ზუსტი გაზომვები, რა თქმა უნდა, შეცვლის მონაცემებს მეორის შესახებ.

მაშასადამე, მდებარეობის (ნაწილაკების კოორდინატების) განსაზღვრის ნაცვლად კვანტური თეორია გვთავაზობს გაზომოს ე.წ.

ტალღის ფუნქცია მუშაობს ისევე, როგორც ხმის ტალღა. განსხვავება მხოლოდ ისაა, რომ ბგერის ტალღის მათემატიკური აღწერა განსაზღვრავს ჰაერში მოლეკულების მოძრაობას გარკვეულ ადგილას, ხოლო ტალღის ფუნქცია აღწერს შრედინგერის განტოლების მიხედვით ნაწილაკების ამა თუ იმ ადგილას გამოჩენის ალბათობას.

ტალღის ფუნქციის გაზომვა ასევე ადვილი არ არის (პირდაპირი დაკვირვებები იწვევს მის კოლაფსს), მაგრამ თეორიულ ფიზიკოსებს შეუძლიათ უხეშად იწინასწარმეტყველონ მისი მნიშვნელობები.

ტალღის ფუნქციის ყველა პარამეტრის ექსპერიმენტულად გაზომვა შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ იგი გროვდება ცალკეული დესტრუქციული გაზომვებიდან, რომლებიც განხორციელებულია ატომების ან მოლეკულების სრულიად იდენტურ სისტემებზე.

ფიზიკოსები ჰოლანდიიდან კვლევითი ინსტიტუტი AMOLF-მა წარმოადგინა ახალი მეთოდი, რომელიც არ საჭიროებს რაიმე „გადაკეთებას“ და გამოაქვეყნა თავისი მუშაობის შედეგები ჟურნალში Physical Review Letters. მათი მეთოდოლოგია ეფუძნება სამი საბჭოთა თეორიული ფიზიკოსის 1981 წლის ჰიპოთეზას, ისევე როგორც უახლეს კვლევებს.

ექსპერიმენტის დროს მეცნიერთა ჯგუფმა ორი ლაზერული სხივი მიმართა წყალბადის ატომებს, რომლებიც სპეციალურ კამერაშია განთავსებული. ასეთი ზემოქმედების შედეგად ელექტრონები ტოვებდნენ ორბიტას იმ სიჩქარით და იმ მიმართულებით, რაც მათი ტალღური ფუნქციებით იყო განსაზღვრული. ძლიერი ელექტრული ველი პალატაში, სადაც წყალბადის ატომები იყო განლაგებული, ელექტრონებს აგზავნიდა პლანალური (ბრტყელი) დეტექტორის გარკვეულ ნაწილებში.

დეტექტორთან მოხვედრილი ელექტრონების პოზიცია განისაზღვრა მათი საწყისი სიჩქარით და არა კამერაში მათი პოზიციით. ამრიგად, დეტექტორზე ელექტრონების განაწილებამ მეცნიერებს უთხრა ამ ნაწილაკების ტალღური ფუნქციის შესახებ, რომელიც მათ ჰქონდათ წყალბადის ატომის ბირთვის გარშემო ორბიტის დატოვებისას.

ელექტრონების მოძრაობები ნაჩვენები იყო ფოსფორისცენტურ ეკრანზე მუქი და მსუბუქი რგოლების სახით, რომლებიც მეცნიერებმა გადაიღეს მაღალი რეზოლუციის ციფრული კამერით.

"ჩვენ ძალიან კმაყოფილი ვართ ჩვენი შედეგებით. Კვანტური მექანიკაიმდენად მცირე კავშირი აქვს ადამიანების ყოველდღიურ ცხოვრებასთან, რომ ძნელად ვინმეს იფიქრებდა ატომში კვანტური ურთიერთქმედების რეალური ფოტოს გადაღება“, - ამბობს კვლევის წამყვანი ავტორი ანეტა სტოდოლნა. ის ასევე ამტკიცებს, რომ განვითარებული ტექნიკა შეიძლება ჰქონდეს პრაქტიკული გამოყენებამაგალითად, ატომის სისქის გამტარების შესაქმნელად, მოლეკულური მავთულის ტექნოლოგიის განვითარება, რაც მნიშვნელოვნად გააუმჯობესებს თანამედროვე ელექტრო მოწყობილობებს.

„აღსანიშნავია, რომ ექსპერიმენტი ჩატარდა წყალბადზე, რომელიც არის უმარტივესი და ყველაზე გავრცელებული ნივთიერება ჩვენს სამყაროში. საჭირო იქნება იმის გაგება, შეიძლება თუ არა ამ ტექნიკის გამოყენება უფრო რთულ ატომებზე. თუ ასეა, მაშინ ეს არის დიდი მიღწევა, რომელიც საშუალებას მოგვცემს განვავითაროთ არა მხოლოდ ელექტრონიკა, არამედ ნანოტექნოლოგია“, - ამბობს ჯეფ ლუნდინი ოტავას უნივერსიტეტიდან, რომელიც არ მონაწილეობდა კვლევაში.

თუმცა თავად მეცნიერები, რომლებმაც ექსპერიმენტი ჩაატარეს, საკითხის პრაქტიკულ მხარეზე არ ფიქრობენ. მათ მიაჩნიათ, რომ მათი აღმოჩენა, უპირველეს ყოვლისა, ეხება ფუნდამენტურ მეცნიერებას, რაც ხელს შეუწყობს მეტი ცოდნის გადაცემას ფიზიკოსთა მომავალი თაობებისთვის.

ფიზიკოსებმა შეერთებული შტატებიდან მოახერხეს ცალკეული ატომების გადაღება ფოტოზე რეკორდული გარჩევადობით, იუწყება Day.Az Vesti.ru-ზე მითითებით.

კორნელის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა შეერთებულ შტატებში მოახერხეს ცალკეული ატომების გადაღება ფოტოზე, რომლის რეკორდული გარჩევადობა ნახევარ ანგსტრომზე (0,39 Å) იყო. წინა ფოტოებს ჰქონდათ გარჩევადობის ნახევარი - 0,98 Å.

ძლიერი ელექტრონული მიკროსკოპები, რომლებსაც შეუძლიათ ატომების დანახვა, უკვე ნახევარი საუკუნეა არსებობს, მაგრამ მათი გარჩევადობა შეზღუდულია ხილული სინათლის გრძელი ტალღის სიგრძით, რომელიც საშუალო ატომის დიამეტრზე დიდია.

ამიტომ, მეცნიერები იყენებენ ლინზების ერთგვარ ანალოგს, რომელიც ფოკუსირებას ახდენს და ადიდებს გამოსახულებას ელექტრონულ მიკროსკოპებში – ისინი მაგნიტური ველია. თუმცა, მაგნიტური ველის რყევები ამახინჯებს შედეგს. დამახინჯების მოსაშორებლად გამოიყენება დამატებითი მოწყობილობები, რომლებიც ასწორებენ მაგნიტურ ველს, მაგრამ ამავე დროს ზრდის ელექტრონული მიკროსკოპის დიზაინის სირთულეს.

მანამდე, კორნელის უნივერსიტეტის ფიზიკოსებმა შეიმუშავეს ელექტრონული მიკროსკოპის პიქსელური მასივის დეტექტორი (EMPAD) ჩასანაცვლებლად. რთული სისტემაგენერატორები, რომლებიც ფოკუსირებენ შემომავალ ელექტრონებს ერთი პატარა მატრიცით 128x128 პიქსელის გარჩევადობით, ინდივიდუალური ელექტრონების მიმართ მგრძნობიარე. თითოეული პიქსელი აღრიცხავს ელექტრონის ასახვის კუთხეს; ამის გაცნობიერებით, მეცნიერები პტიიკოგრაფიის ტექნიკის გამოყენებით აღადგენენ ელექტრონების მახასიათებლებს, მათ შორის იმ წერტილის კოორდინატებს, საიდანაც ის გამოიცა.

ატომები უმაღლესი გარჩევადობით

დევიდ ა. მიულერი და სხვ. ბუნება, 2018 წელი.

2018 წლის ზაფხულში ფიზიკოსებმა გადაწყვიტეს მიღებული სურათების ხარისხი გაეუმჯობესებინათ დღემდე რეკორდულ გარჩევადობამდე. მეცნიერებმა მოძრავ სხივზე დააფიქსირეს 2D მასალის ფურცელი - მოლიბდენის სულფიდი MoS2 და გამოუშვეს ელექტრონული სხივები სხივის სხვადასხვა კუთხით ელექტრონის წყაროსკენ. EMPAD-ისა და პტიიკოგრაფიის გამოყენებით მეცნიერებმა დაადგინეს მანძილი მოლიბდენის ცალკეულ ატომებს შორის და მიიღეს გამოსახულება რეკორდული გარჩევადობით 0,39 Å.

"ფაქტობრივად, ჩვენ შევქმენით ყველაზე პატარა მმართველი მსოფლიოში", - განმარტავს ექსპერიმენტის ერთ-ერთი ავტორი სოლ გრუნერი (Sol Gruner). მიღებულ სურათზე შესაძლებელი გახდა გოგირდის ატომების დანახვა რეკორდული გარჩევადობით 0,39 Å. მეტიც, ჩვენ მოვახერხეთ კიდეც გვენახა ადგილი, სადაც ერთი ასეთი ატომი აკლია (მითითებულია ისრით).

გოგირდის ატომები რეკორდული გარჩევადობით

ტრურლმა დაიწყო ატომების დაჭერა, მათგან ელექტრონების გაფცქვნა, პროტონების მორევა ისე, რომ მხოლოდ თითები აენთო, მოამზადა პროტონული ცომი, მოაყარა ელექტრონები მის გარშემო და - შემდეგი ატომისთვის; ხუთ წუთზე ნაკლები იყო გასული, სანამ მას ხელში სუფთა ოქროს ზოდი ეჭირა: მან ის მუწუკს მიადო, მაგრამ მან, კბილზე ზოლი რომ გასინჯა და თავი დაუქნია, თქვა:
- და მართლაც ოქრო, მაგრამ ატომებს ასე ვერ გავყვები. ძალიან დიდი ვარ.
- არაფერი, სპეციალურ აპარატს მოგცემთ! ტრურლმა დაარწმუნა იგი.

სტანისლავ ლემი, კიბერიადა

შესაძლებელია თუ არა მიკროსკოპით ატომის დანახვა, მისი სხვა ატომისგან გარჩევა, ქიმიური ბმის განადგურების ან წარმოქმნის თვალყურის დევნება და დანახვა, თუ როგორ გადაიქცევა ერთი მოლეკულა მეორეში? დიახ, თუ ეს არ არის მარტივი მიკროსკოპი, არამედ ატომური ძალის მქონე. და თქვენ შეგიძლიათ და არ შემოიფარგლოთ დაკვირვებით. ჩვენ ვცხოვრობთ დროში, როდესაც ატომური ძალის მიკროსკოპი აღარ არის მხოლოდ ფანჯარა მიკროსამყაროში. დღეს ამ ინსტრუმენტის გამოყენება შესაძლებელია ატომების გადასაადგილებლად, ქიმიური ბმების გასაწყვეტად, ცალკეული მოლეკულების დაჭიმვის ლიმიტის შესასწავლად და ადამიანის გენომის შესასწავლადაც კი.

ასოები ქსენონის პიქსელებიდან

ატომების გათვალისწინება ყოველთვის ასე მარტივი არ ყოფილა. ატომური ძალის მიკროსკოპის ისტორია დაიწყო 1979 წელს, როდესაც გერდ კარლ ბინიგმა და ჰაინრიხ რორერმა, ციურიხის IBM კვლევით ცენტრში მომუშავე, დაიწყეს ინსტრუმენტის შექმნა, რომელიც საშუალებას მისცემს ზედაპირების შესწავლას ატომური გარჩევადობით. ასეთი მოწყობილობის მოსაფიქრებლად მკვლევარებმა გადაწყვიტეს გამოეყენებინათ გვირაბის გარდამავალი ეფექტი - ელექტრონების უნარი გადალახონ ერთი შეხედვით გაუვალი ბარიერები. იდეა იყო ატომების პოზიციის დადგენა ნიმუშში გვირაბის დენის სიძლიერის გაზომვით, რომელიც ხდება სკანირების ზონდსა და შესასწავლ ზედაპირს შორის.

Binnig-მა და Rohrer-მა მიაღწიეს წარმატებას და ისტორიაში შევიდნენ, როგორც სკანირების გვირაბის მიკროსკოპის (STM) გამომგონებლები, ხოლო 1986 წელს მიიღეს ნობელის პრემია ფიზიკაში. სკანირების გვირაბის მიკროსკოპმა ნამდვილი რევოლუცია მოახდინა ფიზიკასა და ქიმიაში.

1990 წელს დონ ეიგლერმა და ერჰარდ შვაიცერმა, რომლებიც მუშაობდნენ კალიფორნიის IBM კვლევით ცენტრში, აჩვენეს, რომ STM შეიძლება გამოყენებულ იქნას არა მხოლოდ ატომების დასაკვირვებლად, არამედ მათი მანიპულირებისთვის. სკანირებადი გვირაბის მიკროსკოპის ზონდის გამოყენებით, მათ შექმნეს ალბათ ყველაზე პოპულარული სურათი, რომელიც სიმბოლოა ქიმიკოსების ცალკეულ ატომებთან მუშაობაზე გადასვლაზე - მათ დახატეს სამი ასო ნიკელის ზედაპირზე 35 ქსენონის ატომით (ნახ. 1).

ბინიგი არ ისვენებდა - მიღების წელს ნობელის პრემიაკრისტოფერ გერბერთან და კელვინ კუითთან ერთად, ასევე IBM ციურიხის კვლევით ცენტრში, მან დაიწყო მუშაობა მიკროსამყაროს შესწავლის სხვა მოწყობილობაზე, რომელიც მოკლებულია STM-ს თანდაყოლილ ნაკლოვანებებს. ფაქტია, რომ სკანირების გვირაბის მიკროსკოპის დახმარებით შეუძლებელი იყო დიელექტრიკული ზედაპირების შესწავლა, მაგრამ მხოლოდ დირიჟორები და ნახევარგამტარები და ამ უკანასკნელის გასაანალიზებლად, მათსა და მიკროსკოპის ზონდს შორის მნიშვნელოვანი იშვიათობა უნდა შექმნილიყო. გააცნობიერეს, რომ უფრო ადვილი იყო ახალი მოწყობილობის შექმნა, ვიდრე არსებულის განახლება, ბინიგმა, გერბერმა და კუაიტმა გამოიგონეს ატომური ძალის მიკროსკოპი, ანუ AFM. მისი მოქმედების პრინციპი რადიკალურად განსხვავებულია: ზედაპირის შესახებ ინფორმაციის მისაღებად, გაზომილია არა დენის სიძლიერე, რომელიც ხდება მიკროსკოპის ზონდსა და შესასწავლ ნიმუშს შორის, არამედ მათ შორის წარმოქმნილი მიზიდულობის ძალების მნიშვნელობა, ანუ სუსტი არაქიმიური ურთიერთქმედებები – ვან დერ ვაალის ძალები.

AFM-ის პირველი სამუშაო მოდელი შედარებით მარტივი იყო. მკვლევარებმა ნიმუშის ზედაპირზე გადაიტანეს ბრილიანტის ზონდი, რომელიც დაკავშირებულია მოქნილ მიკრომექანიკურ სენსორთან - ოქროს ფოლგის კონსოლი (მიზიდულობა წარმოიქმნება ზონდსა და ატომს შორის, კონსოლი იხრება მიზიდულობის ძალის მიხედვით და დეფორმირებს პიეზოელექტრიკულს). კონსოლის მოხრის ხარისხი განისაზღვრა პიეზოელექტრული სენსორების გამოყენებით - ანალოგიურად, ვინილის ჩანაწერის ღარები და ქედები გადაიქცევა აუდიო ჩანაწერად. ატომური ძალის მიკროსკოპის დიზაინმა მას საშუალება მისცა აღმოეჩინა მიმზიდველი ძალები 10-18 ნიუტონამდე. სამუშაო პროტოტიპის შექმნიდან ერთი წლის შემდეგ მკვლევარებმა მოახერხეს გრაფიტის ზედაპირის ტოპოგრაფიის გამოსახულების მიღება 2,5 ანგსტრომის გარჩევადობით.

მას შემდეგ გასული სამი ათწლეულის განმავლობაში, AFM გამოიყენებოდა თითქმის ნებისმიერი ქიმიური ობიექტის შესასწავლად - კერამიკული მასალის ზედაპირიდან ცოცხალ უჯრედებამდე და ცალკეულ მოლეკულებამდე, როგორც სტატიკურ, ისე დინამიურ მდგომარეობაში. ატომური ძალის მიკროსკოპია ქიმიკოსებისა და მასალათმცოდნეების სამუშაო ძალად იქცა და სამუშაოების რაოდენობა, რომლებშიც ეს მეთოდი გამოიყენება, მუდმივად იზრდება (ნახ. 2).

წლების განმავლობაში, მკვლევარებმა აირჩიეს პირობები, როგორც კონტაქტური, ასევე უკონტაქტო ობიექტების შესწავლისთვის ატომური ძალის მიკროსკოპის გამოყენებით. ზემოთ აღწერილი საკონტაქტო მეთოდი ეფუძნება ვან დერ ვაალის ურთიერთქმედებას კონსოლსა და ზედაპირს შორის. უკონტაქტო რეჟიმში მუშაობისას, პიეზოვიბრატორი აღაგზნებს ზონდის რხევებს გარკვეული სიხშირით (ყველაზე ხშირად რეზონანსული). ზედაპირიდან მოქმედი ძალა იწვევს იმ ფაქტს, რომ იცვლება ზონდის რხევების ამპლიტუდაც და ფაზაც. უკონტაქტო მეთოდის გარკვეული ხარვეზების მიუხედავად (პირველ რიგში, გარე ხმაურისადმი მგრძნობელობა), სწორედ ეს მეთოდი გამორიცხავს ზონდის ეფექტს შესასწავლ ობიექტზე და, შესაბამისად, უფრო საინტერესოა ქიმიკოსებისთვის.

ცოცხალი ზონდებზე, მისდევს კავშირებს

ატომური ძალის მიკროსკოპია უკონტაქტო გახდა 1998 წელს ბინიგის მოსწავლის, ფრანც იოზეფ გისიბლის მუშაობის წყალობით. სწორედ მან შემოგვთავაზა სტაბილური სიხშირის კვარცის საცნობარო ოსცილატორის გამოყენება კონსოლად. 11 წლის შემდეგ, ციურიხის IBM ლაბორატორიის მკვლევარებმა განახორციელეს უკონტაქტო AFM-ის კიდევ ერთი მოდიფიკაცია: ზონდ-სენსორის როლს ასრულებდა არა ბასრი ალმასის კრისტალი, არამედ ერთი მოლეკულა - ნახშირბადის მონოქსიდი. ამან შესაძლებელი გახადა სუბატომურ გარჩევადობაზე გადასვლა, რაც აჩვენა ლეო გროსმა IBM-ის ციურიხის განყოფილებიდან. 2009 წელს, AFM-ის დახმარებით, მან ხილული გახადა არა ატომები, არამედ ქიმიური ბმები, რომელმაც მიიღო საკმაოდ მკაფიო და ცალსახად წასაკითხი „სურათი“ პენტაცენის მოლეკულისთვის (ნახ. 3; მეცნიერება, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).

დარწმუნებულმა, რომ ქიმიური კავშირის დანახვა შეიძლებოდა AFM-ით, ლეო გროსმა გადაწყვიტა უფრო შორს წასულიყო და გამოეყენებინა ატომური ძალის მიკროსკოპი ბმის სიგრძისა და რიგის გასაზომად - ძირითადი პარამეტრები ქიმიური სტრუქტურის და, შესაბამისად, ნივთიერებების თვისებების გასაგებად.

შეგახსენებთ, რომ ბმის რიგებში განსხვავება მიუთითებს ელექტრონების განსხვავებულ სიმკვრივესა და ორ ატომს შორის განსხვავებულ ინტერატომურ დისტანციაზე (მარტივად რომ ვთქვათ, ორმაგი ბმა უფრო მოკლეა, ვიდრე ერთი ბმა). ეთანში ნახშირბად-ნახშირბადის კავშირის რიგი არის ერთი, ეთილენში - ორი, ხოლო კლასიკურ არომატულ მოლეკულაში, ბენზოლში, ნახშირბად-ნახშირბადის კავშირის რიგი ერთზე მეტია, მაგრამ ორზე ნაკლები და ითვლება 1,5-ად.

ობლიგაციების რიგის დადგენა ბევრად უფრო რთულია, როდესაც მარტივი არომატული სისტემებიდან გადავდივართ პლანტურ ან მოცულობით პოლიკონდენსირებულ რგოლის სისტემებზე. ამრიგად, ფულერენებში ობლიგაციების რიგი, რომელიც შედგება შედედებული ხუთ და ექვსწევრიანი ნახშირბადის ციკლებისგან, შეიძლება მიიღოს ნებისმიერი მნიშვნელობა ერთიდან ორამდე. იგივე გაურკვევლობა თეორიულად ეხება პოლიციკლურ არომატულ ნაერთებს.

2012 წელს ლეო გროსმა, ფაბიან მონთან ერთად, აჩვენა, რომ ატომური ძალის მიკროსკოპს მეტალის უკონტაქტო ზონდით მოდიფიცირებული ნახშირბადის მონოქსიდით შეუძლია გაზომოს განსხვავებები მუხტების განაწილებაში ატომებსა და ატომთაშორის დისტანციებში - ანუ პარამეტრებს, რომლებიც დაკავშირებულია კავშირის წესრიგთან. ( მეცნიერება, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).

ამისათვის მათ შეისწავლეს ორი სახის ქიმიური ბმა ფულერენში - ნახშირბად-ნახშირბადის ბმა, საერთო C 60 ფულერენის ორი ექვსწევრიანი ნახშირბადის შემცველი ციკლისთვის და ნახშირბად-ნახშირბადის ბმა, საერთო ხუთ და ექვსწევრიანი. ციკლები. ატომური ძალის მიკროსკოპმა აჩვენა, რომ ექვსწევრიანი რგოლების კონდენსაცია იწვევს ბმას, რომელიც უფრო მოკლეა და უფრო მაღალი რიგის, ვიდრე C 6 და C 5 ციკლური ფრაგმენტების კონდენსაცია. ქიმიური კავშირის თავისებურებების შესწავლამ ჰექსაბენზოკორონენში, სადაც C6 კიდევ ექვსი ციკლი სიმეტრიულად მდებარეობს ცენტრალური C 6 ციკლის ირგვლივ, დაადასტურა კვანტური ქიმიური მოდელირების შედეგები, რომლის მიხედვითაც ბმის რიგი N-N ცენტრალურირგოლები (ნახ. 4 ასო მე) უნდა იყოს უფრო დიდი ვიდრე ბმები, რომლებიც აერთიანებს ამ რგოლს პერიფერიულ ციკლებთან (ნახ. 4, ასო ჯ). ანალოგიური შედეგები იქნა მიღებული უფრო რთული პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადისთვის, რომელიც შეიცავს ცხრა ექვსწევრიან რგოლს.

ბმის რიგები და ატომთაშორისი დისტანციები, რა თქმა უნდა, საინტერესო იყო ორგანული ქიმიკოსებისთვის, მაგრამ ეს უფრო მნიშვნელოვანი იყო მათთვის, ვინც დაკავებული იყო ქიმიური ბმების თეორიით, რეაქტიულობის პროგნოზით და ქიმიური რეაქციების მექანიზმების შესწავლით. მიუხედავად ამისა, როგორც სინთეზური ქიმიკოსები, ასევე ბუნებრივი ნაერთების სტრუქტურის შესწავლის სპეციალისტები გაოცდნენ: აღმოჩნდა, რომ ატომური ძალის მიკროსკოპი შეიძლება გამოყენებულ იქნას მოლეკულების სტრუქტურის დასადგენად ისევე, როგორც NMR ან IR სპექტროსკოპია. უფრო მეტიც, ის იძლევა ცალსახა პასუხს კითხვებზე, რომლებსაც ეს მეთოდები ვერ უმკლავდება.

ფოტოგრაფიიდან კინომდე

2010 წელს იგივე ლეო გროსმა და რაინერ ებელმა შეძლეს ცალსახად დაედგინათ ბაქტერიისგან იზოლირებული ბუნებრივი ნაერთის - ცეფალანდოლი A-ს სტრუქტურა. Dermacoccus abyssi(ბუნების ქიმია, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). ცეფალანდოლ A-ს შემადგენლობა ადრე განისაზღვრა მასობრივი სპექტრომეტრიის გამოყენებით, მაგრამ ამ ნაერთის NMR სპექტრის ანალიზმა არ მისცა ცალსახა პასუხი მისი სტრუქტურის კითხვაზე: შესაძლებელი იყო ოთხი ვარიანტი. ატომური ძალის მიკროსკოპის გამოყენებით, მკვლევარებმა დაუყოვნებლივ გამორიცხეს ოთხი სტრუქტურიდან ორი და გააკეთეს სწორი არჩევანი დანარჩენი ორიდან AFM და კვანტური ქიმიური მოდელირების შედეგად მიღებული შედეგების შედარებით. ამოცანა რთული აღმოჩნდა: პენტაცენისგან, ფულერენისა და კორონენებისგან განსხვავებით, ცეფალანდოლი A შეიცავს არა მხოლოდ ნახშირბადის და წყალბადის ატომებს, გარდა ამისა, ამ მოლეკულას არ აქვს სიმეტრიის სიბრტყე (სურ. 5) - მაგრამ ეს პრობლემაც მოგვარდა.

შემდგომი დადასტურება, რომ ატომური ძალის მიკროსკოპი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ანალიტიკური ინსტრუმენტი, მოვიდა ოსკარ კუსტანცის ჯგუფიდან, შემდეგ ოსაკას უნივერსიტეტის საინჟინრო სკოლაში. მან აჩვენა, თუ როგორ AFM-ის გამოყენებით განვასხვავოთ ატომები, რომლებიც ერთმანეთისგან გაცილებით ნაკლებად განსხვავდებიან, ვიდრე ნახშირბადი და წყალბადი ( Ბუნება, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). კუსტანცმა გამოიკვლია სილიციუმის, კალის და ტყვიისგან შემდგარი შენადნობის ზედაპირი თითოეული ელემენტის ცნობილი შემცველობით. მრავალი ექსპერიმენტის შედეგად მან აღმოაჩინა, რომ ძალა, რომელიც წარმოიქმნება AFM ზონდის წვერსა და სხვადასხვა ატომს შორის, განსხვავდება (სურ. 6). მაგალითად, ყველაზე ძლიერი ურთიერთქმედება დაფიქსირდა სილიციუმის ზონდირებისას, ხოლო ყველაზე სუსტი ურთიერთქმედება დაფიქსირდა ტყვიის გამოკვლევისას.

ვარაუდობენ, რომ მომავალში ატომური ძალის მიკროსკოპის შედეგები ცალკეული ატომების ამოცნობისთვის დამუშავდება ისევე, როგორც NMR-ის შედეგები - ფარდობითი მნიშვნელობების შედარებით. ვინაიდან სენსორის ნემსის ზუსტი შემადგენლობის კონტროლი რთულია, სენსორსა და ზედაპირის სხვადასხვა ატომებს შორის ძალის აბსოლუტური მნიშვნელობა დამოკიდებულია ექსპერიმენტულ პირობებზე და მოწყობილობის ბრენდზე, მაგრამ ამ ძალების თანაფარდობა ნებისმიერი შემადგენლობისა და ფორმისთვის. სენსორი მუდმივი რჩება თითოეული ქიმიური ელემენტისთვის.

2013 წელს გამოჩნდა AFM გამოყენების პირველი მაგალითები ცალკეული მოლეკულების გამოსახულების მისაღებად ქიმიურ რეაქციებამდე და მის შემდეგ: იქმნება "ფოტოკომპლექტი" რეაქციის პროდუქტებისა და შუალედური ნივთიერებებისგან, რომელიც შემდეგ შეიძლება დამონტაჟდეს ერთგვარ დოკუმენტურ ფილმში ( მეცნიერება, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).

ფელიქს ფიშერმა და მაიკლ კრომიმ კალიფორნიის უნივერსიტეტიდან, ბერკლიში, ზედაპირზე ვერცხლი წაისვეს. 1,2-ბის[(2-ეთინილფენილ)ეთინილ]ბენზოლი, გადაიღო მოლეკულები და გააცხელა ზედაპირი ციკლიზაციის დასაწყებად. ორიგინალური მოლეკულების ნახევარი გადაიქცა პოლიციკლურ არომატულ სტრუქტურებად, რომლებიც შედგებოდა შერწყმული ხუთი ექვსწევრიანი და ორი ხუთწევრიანი რგოლებისგან. მოლეკულების მეორე მეოთხედმა შექმნა სტრუქტურები, რომლებიც შედგებოდა ოთხი ექვსწევრიანი ციკლისგან, რომლებიც დაკავშირებულია ერთი ოთხწევრიანი ციკლით და ორი ხუთწევრიანი ციკლით (ნახ. 7). დარჩენილი პროდუქტები იყო ოლიგომერული სტრუქტურები და, უმნიშვნელო რაოდენობით, პოლიციკლური იზომერები.

ამ შედეგებმა ორჯერ გააოცა მკვლევარები. პირველი, რეაქციის დროს წარმოიქმნა მხოლოდ ორი ძირითადი პროდუქტი. მეორეც, მათმა სტრუქტურამ გაოცება გამოიწვია. ფიშერი აღნიშნავს, რომ ქიმიურმა ინტუიციამ და გამოცდილებამ შესაძლებელი გახადა ათობით შესაძლო რეაქციის პროდუქტის დახატვა, მაგრამ არცერთი მათგანი არ შეესაბამებოდა ზედაპირზე წარმოქმნილ ნაერთებს. შესაძლებელია, რომ საწყისი ნივთიერებების ურთიერთქმედებამ სუბსტრატთან ხელი შეუწყო ატიპიური ქიმიური პროცესების წარმოქმნას.

ბუნებრივია, ქიმიური ობლიგაციების შესწავლაში პირველი სერიოზული წარმატებების შემდეგ, ზოგიერთმა მკვლევარმა გადაწყვიტა გამოეყენებინა AFM სუსტი და ნაკლებად შესწავლილი ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედებების დასაკვირვებლად, კერძოდ, წყალბადის კავშირი. თუმცა, ამ მიმართულებით მუშაობა ახლახან იწყება და მათი შედეგები წინააღმდეგობრივია. ასე რომ, ზოგიერთ პუბლიკაციაში ნათქვამია, რომ ატომური ძალის მიკროსკოპით შესაძლებელი გახდა წყალბადის ბმის დაკვირვება ( მეცნიერება, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), სხვებში ისინი ამტკიცებენ, რომ ეს მხოლოდ არტეფაქტებია მოწყობილობის დიზაინის მახასიათებლების გამო და ექსპერიმენტული შედეგები უფრო ფრთხილად უნდა იქნას ინტერპრეტირებული ( ფიზიკური მიმოხილვის წერილები, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). შესაძლოა, საბოლოო პასუხი კითხვაზე, შესაძლებელია თუ არა წყალბადის და სხვა ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედებების დაკვირვება ატომური ძალის მიკროსკოპის გამოყენებით, უკვე ამ ათწლეულში იქნება მიღებული. ამისათვის თქვენ უნდა გაიზარდოთ AFM გარჩევადობა მინიმუმ რამდენჯერმე და ისწავლოთ როგორ მიიღოთ სურათები ხმაურის გარეშე ( ფიზიკური მიმოხილვა B, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).

ერთი მოლეკულის სინთეზი

ოსტატურ ხელში, STM და AFM გარდაიქმნება ინსტრუმენტებიდან, რომლებსაც შეუძლიათ მატერიის შესწავლა, ინსტრუმენტებად, რომლებსაც შეუძლიათ მატერიის სტრუქტურის მიმართულების შეცვლა. ამ ხელსაწყოების დახმარებით უკვე შესაძლებელი გახდა „ყველაზე პატარა ქიმიური ლაბორატორიების“ მოპოვება, რომლებშიც კოლბის ნაცვლად სუბსტრატია გამოყენებული, ხოლო მოლის ან მილიმოლ რეაქტანტების ნაცვლად ცალკეული მოლეკულები.

მაგალითად, 2016 წელს მეცნიერთა საერთაშორისო ჯგუფმა ტაკაში კუმაგაის ხელმძღვანელობით გამოიყენა ატომური ძალის უკონტაქტო მიკროსკოპია პორფიცენის მოლეკულის ერთი ფორმიდან მეორეში გადასატანად ( ბუნების ქიმია, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). პორფიცენი შეიძლება ჩაითვალოს პორფირინის მოდიფიკაციად, რომლის შიდა ციკლი შეიცავს აზოტის ოთხ ატომს და წყალბადის ორ ატომს. AFM ზონდის ვიბრაციებმა პორფიცენის მოლეკულას გადასცა საკმარისი ენერგია ამ წყალბადების აზოტის ერთი ატომიდან მეორეში გადასატანად და შედეგად მიიღეს ამ მოლეკულის „სარკე გამოსახულება“ (სურ. 8).

დაუღალავი ლეო გროსის ხელმძღვანელობით ჯგუფმა ასევე აჩვენა, რომ შესაძლებელია ერთი მოლეკულის რეაქციის დაწყება - მათ დიბრომოანტრაცენი ათწევრებულ ციკლურ დიინად აქციეს (სურ. 9; ბუნების ქიმია, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). კუმაგაის და სხვებისგან განსხვავებით, მოლეკულის გასააქტიურებლად მათ გამოიყენეს სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი და რეაქციის შედეგს აკვირდებოდნენ ატომური ძალის მიკროსკოპის გამოყენებით.

სკანირების გვირაბის მიკროსკოპისა და ატომური ძალის მიკროსკოპის კომბინირებულმა გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა მოლეკულის მიღება, რომლის სინთეზირება შეუძლებელია კლასიკური ტექნიკისა და მეთოდების გამოყენებით ( ბუნება ნანოტექნოლოგია, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). ეს სამკუთხედი არასტაბილური არომატული დირადიკალია, რომლის არსებობაც ექვსი ათეული წლის წინ იწინასწარმეტყველეს, მაგრამ სინთეზის ყველა მცდელობა წარუმატებელი აღმოჩნდა (ნახ. 10). ნიკო პავლიჩეკის ჯგუფის ქიმიკოსებმა მიიღეს სასურველი ნაერთი მისი წინამორბედიდან წყალბადის ორი ატომის ამოღებით STM-ის გამოყენებით და დაადასტურეს სინთეზური შედეგი AFM-ის გამოყენებით.

ვარაუდობენ, რომ ორგანულ ქიმიაში ატომური ძალის მიკროსკოპის გამოყენებაზე მიძღვნილი სამუშაოების რაოდენობა გაიზრდება. ამჟამად სულ უფრო მეტი მეცნიერი ცდილობს გაიმეოროს რეაქციის ზედაპირზე კარგად ცნობილი „ხსნარის ქიმია“. მაგრამ შესაძლოა, სინთეზური ქიმიკოსები დაიწყებენ ხსნარში იმ რეაქციების რეპროდუცირებას, რომლებიც თავდაპირველად განხორციელდა ზედაპირზე AFM-ის გამოყენებით.

არაცოცხალიდან ცოცხალმდე

ატომური ძალის მიკროსკოპების კონსოლი და ზონდები შეიძლება გამოყენებულ იქნას არა მხოლოდ ანალიტიკური კვლევებისთვის ან ეგზოტიკური მოლეკულების სინთეზისთვის, არამედ გამოყენებული პრობლემების გადასაჭრელად. მედიცინაში AFM-ის გამოყენების შემთხვევები უკვე ცნობილია, მაგალითად, კიბოს ადრეული დიაგნოსტიკისთვის და აქ პიონერია იგივე კრისტოფერ გერბერი, რომელსაც ხელი ჰქონდა ატომური ძალის მიკროსკოპის პრინციპის შემუშავებაში და AFM-ის შექმნაში.

ამრიგად, გერბერმა მოახერხა AFM-ს ასწავლა მელანომაში რიბონუკლეინის მჟავის წერტილის მუტაციის დადგენა (ბიოფსიის შედეგად მიღებულ მასალაზე). ამისათვის ატომური ძალის მიკროსკოპის ოქროს კონსოლი შეიცვალა ოლიგონუკლეოტიდებით, რომლებსაც შეუძლიათ რნმ-თან ინტერმოლეკულურ ურთიერთქმედებაში შესვლა და ამ ურთიერთქმედების სიძლიერის გაზომვა მაინც შესაძლებელია პიეზოელექტრული ეფექტის გამო. AFM სენსორის მგრძნობელობა იმდენად მაღალია, რომ ის უკვე გამოიყენება პოპულარული CRISPR-Cas9 გენომის რედაქტირების მეთოდის ეფექტურობის შესასწავლად. იგი აერთიანებს სხვადასხვა თაობის მკვლევართა მიერ შექმნილ ტექნოლოგიებს.

ერთ-ერთი პოლიტიკური თეორიის კლასიკის პერიფრაზირებით, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ჩვენ უკვე ვხედავთ ატომური ძალის მიკროსკოპის უსაზღვრო შესაძლებლობებსა და ამოუწურავლობას და ძნელი წარმოსადგენია, რა გველის წინ ამ ტექნოლოგიების შემდგომ განვითარებასთან დაკავშირებით. მაგრამ დღესაც, სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი და ატომური ძალის მიკროსკოპი გვაძლევს შესაძლებლობას დავინახოთ ატომები და შევეხოთ მათ. შეიძლება ითქვას, რომ ეს არ არის მხოლოდ ჩვენი თვალების გაფართოება, რომელიც საშუალებას გვაძლევს ჩავიხედოთ ატომებისა და მოლეკულების მიკროსამყაროში, არამედ ახალი თვალები, ახალი თითები, რომლებსაც შეუძლიათ შეეხონ ამ მიკროკოსმოსს და გააკონტროლონ იგი.