მეცნიერებმა პირველად ნახეს ატომი "ცოცხალი" - ფოტო. ატომები შესაძლებელია თუ არა ატომის გადაღება

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 C6 ციკლის გარშემო, დაადასტურა კვანტური ქიმიური მოდელირების შედეგები, რომლის მიხედვითაც C-C კავშირებიცენტრალური ბეჭედი (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.

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

ამ ფოტოზე თქვენ უყურებთ ატომის გარშემო ელექტრონის ორბიტების პირველ პირდაპირ სურათს - სინამდვილეში, ატომის ტალღურ ფუნქციას!

წყალბადის ატომის ორბიტალური სტრუქტურის ფოტოსურათის გადასაღებად მკვლევარებმა გამოიყენეს უახლესი კვანტური მიკროსკოპი, წარმოუდგენელი მოწყობილობა, რომელიც მეცნიერებს საშუალებას აძლევს თვალი ადევნონ კვანტური ფიზიკის სფეროს.

ატომში სივრცის ორბიტალური სტრუქტურა იკავებს ელექტრონს. მაგრამ მატერიის ამ მიკროსკოპული თვისებების აღწერისას მეცნიერები ეყრდნობიან ტალღის ფუნქციებს, ნაწილაკების კვანტური მდგომარეობის აღწერის მათემატიკურ გზებს, კერძოდ, თუ როგორ იქცევიან ისინი სივრცესა და დროს.

როგორც წესი, ფორმულები, როგორიცაა შროდინგერის განტოლება, გამოიყენება კვანტურ ფიზიკაში ნაწილაკების მდგომარეობის აღსაწერად.

დაბრკოლებები მკვლევართა გზაზე

ამ დრომდე მეცნიერებს არასოდეს დაუკვირვებიათ ტალღის ფუნქცია. მარტოხელა ელექტრონის ზუსტი პოზიციის ან იმპულსის დაფიქსირების მცდელობა ბუზების გროვის დაჭერის მცდელობას ჰგავს. პირდაპირი დაკვირვებები დამახინჯდა ძალიან უსიამოვნო ფენომენის - კვანტური თანმიმდევრულობის გამო.

ყველა კვანტური მდგომარეობის გასაზომად გჭირდებათ ინსტრუმენტი, რომელსაც შეუძლია ნაწილაკების მდგომარეობის მრავალი გაზომვა დროთა განმავლობაში.

მაგრამ როგორ გავზარდოთ კვანტური ნაწილაკების უკვე მიკროსკოპული მდგომარეობა? პასუხი საერთაშორისო მკვლევართა ჯგუფმა იპოვა. კვანტური მიკროსკოპით, მოწყობილობა, რომელიც იყენებს ფოტოიონიზაციას ატომური სტრუქტურების უშუალო დასაკვირვებლად.

თავის სტატიაში პოპულარულ ჟურნალში Physical Review Letters, ანეტა სტოდოლნა ნიდერლანდების მოლეკულური ფიზიკის ინსტიტუტიდან (AMOLF) განმარტავს, თუ როგორ მიიღეს მან და მისმა გუნდმა სტატიკური ელექტრულ ველში მოთავსებული წყალბადის ატომის კვანძოვანი ელექტრონის ორბიტალური სტრუქტურები.

მუშაობის მეთოდი

ლაზერული იმპულსებით დასხივების შემდეგ იონიზებული ელექტრონები დატოვეს ორბიტაზე და გაზომილი ტრაექტორიის გასწვრივ ჩავარდნენ 2D დეტექტორში (ორმაგი მიკროარხის ფირფიტა. დეტექტორი მდებარეობს თავად ველზე პერპენდიკულარულად). არსებობს მრავალი ტრაექტორია, რომლის გასწვრივ ელექტრონებს შეუძლიათ იმოგზაურონ დეტექტორთან შეჯახებამდე. ეს მკვლევარებს აწვდის ჩარევის შაბლონებს, მოდელებს, რომლებიც ასახავს ტალღის ფუნქციის კვანძოვან სტრუქტურას.
მკვლევარებმა გამოიყენეს ელექტროსტატიკური ლინზა, რომელიც ადიდებს ელექტრონების გამავალ ტალღას 20000-ზე მეტჯერ.

წყალბადის ატომი იჭერს ელექტრონის ღრუბლებს. და მიუხედავად იმისა, რომ თანამედროვე ფიზიკოსებს შეუძლიათ პროტონის ფორმის დადგენა ამაჩქარებლების დახმარებით, წყალბადის ატომი, როგორც ჩანს, დარჩება ყველაზე პატარა ობიექტად, რომლის გამოსახულებას აზრი აქვს ფოტოს დარქმევას. „ლენტა.რუ“ წარმოგიდგენთ მიკროსამყაროს გადაღების თანამედროვე მეთოდების მიმოხილვას.

მკაცრად რომ ვთქვათ, ამ დღეებში ჩვეულებრივი ფოტოგრაფია თითქმის აღარ დარჩა. სურათები, რომლებსაც ჩვენ ჩვეულებრივ ფოტოებს ვუწოდებთ და გვხვდება, მაგალითად, Lenta.ru-ს ნებისმიერ ფოტო ესეში, სინამდვილეში კომპიუტერის მოდელებია. ფოტომგრძნობიარე მატრიცა სპეციალურ მოწყობილობაში (ტრადიციულად მას ჯერ კიდევ "კამერას" უწოდებენ) განსაზღვრავს სინათლის ინტენსივობის სივრცულ განაწილებას რამდენიმე სხვადასხვა სპექტრულ დიაპაზონში, საკონტროლო ელექტრონიკა ინახავს ამ მონაცემებს ციფრული ფორმით, შემდეგ კი სხვა ელექტრონულ წრედ, ამის საფუძველზე. მონაცემები, აძლევს ბრძანებას ტრანზისტორებს თხევადი ბროლის ეკრანზე. ფილმი, ქაღალდი, მათი დამუშავების სპეციალური გადაწყვეტილებები - ეს ყველაფერი ეგზოტიკური გახდა. და თუ გავიხსენებთ სიტყვის პირდაპირი მნიშვნელობით, მაშინ ფოტოგრაფია არის "მსუბუქი ფერწერა". რა უნდა ითქვას, რომ მეცნიერებმა წარმატებას მიაღწიეს გადაღებაატომი, შესაძლებელია მხოლოდ საკმაოდ ჩვეულებრივი პირობითობით.

ასტრონომიული სურათების ნახევარზე მეტი დიდი ხანია გადაღებულია ინფრაწითელი, ულტრაიისფერი და რენტგენის ტელესკოპებით. ელექტრონული მიკროსკოპები ასხივებენ არა სინათლით, არამედ ელექტრონული სხივით, ხოლო ატომური ძალის მიკროსკოპები ნიმუშის რელიეფს სკანირებენ ნემსით. არსებობს რენტგენის მიკროსკოპები და მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფიის სკანერები. ყველა ეს მოწყობილობა გვაძლევს სხვადასხვა ობიექტების ზუსტ სურათებს და იმისდა მიუხედავად, რომ აქ, რა თქმა უნდა, არ არის საჭირო „მსუბუქ ფერწერაზე“ საუბარი, ჩვენ მაინც ვაძლევთ თავს უფლებას ვუწოდოთ ასეთი სურათები ფოტოსურათები.

ფიზიკოსების ექსპერიმენტები პროტონის ფორმის ან ნაწილაკების შიგნით კვარკების განაწილების დასადგენად კულისებში დარჩება; ჩვენი ამბავი ატომების მასშტაბით შემოიფარგლება.

ოპტიკა არასოდეს ბერდება

როგორც მე-20 საუკუნის მეორე ნახევარში გაირკვა, ოპტიკურ მიკროსკოპებს ჯერ კიდევ აქვთ განვითარების ადგილი. ბიოლოგიურ და სამედიცინო კვლევებში გადამწყვეტი მომენტი იყო ფლუორესცენტური საღებავებისა და მეთოდების გაჩენა, რომლებიც საშუალებას იძლევა გარკვეული ნივთიერებების შერჩევითი მარკირება. ეს არ იყო "უბრალოდ ახალი საღებავი", ეს იყო ნამდვილი რევოლუცია.

გავრცელებული მცდარი წარმოდგენის საწინააღმდეგოდ, ფლუორესცენცია საერთოდ არ არის სიბნელეში ნათება (ამ უკანასკნელს ლუმინესცენცია ეწოდება). ეს არის გარკვეული ენერგიის კვანტების (ვთქვათ, ლურჯი შუქის) შთანთქმის ფენომენი, რასაც მოჰყვება ქვედა ენერგიის სხვა კვანტების გამოსხივება და, შესაბამისად, განსხვავებული შუქი (როდესაც ლურჯი შეიწოვება, გამოიყოფა მწვანე). თუ თქვენ ჩადებთ ფილტრს, რომელიც საშუალებას აძლევს მხოლოდ საღებავის მიერ გამოსხივებულ კვანტს გაიაროს და ბლოკავს ფლუორესცენციის გამომწვევ შუქს, შეგიძლიათ იხილოთ მუქი ფონი საღებავების ნათელი ლაქებით, ხოლო საღებავებს, თავის მხრივ, შეუძლიათ ნიმუშის უკიდურესად შერჩევითი შეღებვა. .

მაგალითად, შეგიძლიათ ციტოჩონჩხის შეღებვა ნერვული უჯრედიწითლად, სინაფსები მწვანეში და ბირთვი ლურჯში. თქვენ შეგიძლიათ გააკეთოთ ფლუორესცენტური ეტიკეტი, რომელიც საშუალებას მოგცემთ აღმოაჩინოთ ცილის რეცეპტორები მემბრანაზე ან უჯრედის მიერ სინთეზირებული მოლეკულები გარკვეულ პირობებში. იმუნოჰისტოქიმიური შეღებვის მეთოდმა რევოლუცია მოახდინა ბიოლოგიურ მეცნიერებაში. და როდესაც გენეტიკურმა ინჟინრებმა ისწავლეს ტრანსგენური ცხოველების ფლუორესცენტური ცილებით დამზადება, ამ მეთოდმა განიცადა ხელახალი დაბადება: თაგვები სხვადასხვა ფერებში შეღებილი ნეირონებით, მაგალითად, რეალობად იქცა.

გარდა ამისა, ინჟინრებმა მოიგონეს (და გამოიყენეს) ეგრეთ წოდებული კონფოკალური მიკროსკოპის მეთოდი. მისი არსი მდგომარეობს იმაში, რომ მიკროსკოპი ფოკუსირებულია ძალიან თხელ ფენაზე და სპეციალური დიაფრაგმა წყვეტს ამ ფენის გარეთ არსებული ობიექტების მიერ შექმნილ შუქს. ასეთ მიკროსკოპს შეუძლია ნიმუშის თანმიმდევრული სკანირება ზემოდან ქვემოდან და მიიღოს სურათების დასტა, რაც მზა საფუძველია სამგანზომილებიანი მოდელისთვის.

ლაზერებისა და დახვეწილი ოპტიკური სხივის კონტროლის სისტემების გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა ნათელი შუქის ქვეშ დელიკატური ბიოლოგიური ნიმუშების საღებავის გაქრობის და გაშრობის პრობლემის გადაჭრა: ლაზერის სხივი სკანირებს ნიმუშს მხოლოდ მაშინ, როდესაც ეს აუცილებელია გამოსახულების მისაღებად. და იმისთვის, რომ არ დაკარგოთ დრო და ძალისხმევა დიდი მომზადების შესამოწმებლად ოკულარით ვიწრო ხედვის ველით, ინჟინერებმა შემოგვთავაზეს ავტომატური სკანირების სისტემა: შეგიძლიათ დადოთ ჭიქა ნიმუშით თანამედროვე მიკროსკოპის ობიექტზე და მოწყობილობა დამოუკიდებლად გადაიღებს მთელი ნიმუშის ფართომასშტაბიან პანორამას. ამავდროულად, სწორ ადგილებში, ის ყურადღებას გაამახვილებს, შემდეგ კი ბევრ ჩარჩოს წებოვნებს.

ზოგიერთ მიკროსკოპს შეუძლია ცოცხალი თაგვების, ვირთხების ან სულ მცირე მცირე უხერხემლოების მოთავსება. სხვები იძლევა მცირე ზრდას, მაგრამ შერწყმულია რენტგენის აპარატთან. ვიბრაციის ჩარევის აღმოსაფხვრელად, ბევრი დამონტაჟებულია სპეციალურ მაგიდებზე, რომლებიც იწონის რამდენიმე ტონას შენობაში, ფრთხილად კონტროლირებადი მიკროკლიმატით. ასეთი სისტემების ღირებულება აღემატება სხვა ელექტრონული მიკროსკოპების ღირებულებას და კონკურსები ყველაზე ლამაზი ჩარჩოსთვის დიდი ხანია ტრადიციად იქცა. გარდა ამისა, ოპტიკის გაუმჯობესება გრძელდება: შუშის საუკეთესო ტიპების ძიებიდან და ლინზების ოპტიმალური კომბინაციების შერჩევით, ინჟინრები გადავიდნენ სინათლის ფოკუსირების გზებზე.

ჩვენ კონკრეტულად ჩამოვთვალეთ რიგი ტექნიკური დეტალები, რათა დავანახოთ, რომ ბიოლოგიურ კვლევებში პროგრესი დიდი ხანია ასოცირდება სხვა სფეროებში პროგრესთან. რომ არ არსებობდეს კომპიუტერები, რომლებსაც შეუძლიათ ავტომატურად დათვალონ შეღებილი უჯრედების რაოდენობა რამდენიმე ასეულ ფოტოზე, სუპერმიკროსკოპი ნაკლებად გამოსადეგი იქნებოდა. და ფლუორესცენტური საღებავების გარეშე, მილიონობით უჯრედი ერთმანეთისგან არ განსხვავდებოდა, ამიტომ თითქმის შეუძლებელი იქნებოდა ახლის წარმოქმნას ან ძველის სიკვდილს თვალყური ადევნო.

სინამდვილეში, პირველი მიკროსკოპი იყო დამჭერი, რომელზეც სფერული ლინზა იყო დამაგრებული. ასეთი მიკროსკოპის ანალოგი შეიძლება იყოს უბრალო სათამაშო ბარათი მასში გაკეთებული ნახვრეტით და წყლის წვეთი. ზოგიერთი ცნობით, ასეთ მოწყობილობებს კოლიმაში ოქროს მაღაროელები უკვე გასულ საუკუნეში იყენებდნენ.

დიფრაქციული ლიმიტის მიღმა

ოპტიკურ მიკროსკოპებს აქვთ ფუნდამენტური ნაკლი. ფაქტია, რომ შეუძლებელია იმ ობიექტების ფორმის აღდგენა, რომლებიც ტალღის სიგრძეზე გაცილებით მცირე აღმოჩნდა სინათლის ტალღების ფორმისგან: თქვენ ასევე შეგიძლიათ სცადოთ მასალის თხელი ტექსტურა თქვენი ხელით შეისწავლოთ. სქელი შედუღების ხელთათმანი.

დიფრაქციით შექმნილი შეზღუდვები ნაწილობრივ დაძლეულია და ფიზიკის კანონების დარღვევის გარეშე. ორი გარემოება ეხმარება ოპტიკურ მიკროსკოპებს დიფრაქციული ბარიერის ქვეშ ჩაძირვას: ის ფაქტი, რომ ფლუორესცენციის დროს კვანტები გამოიყოფა ცალკეული საღებავის მოლეკულებით (რომლებიც შეიძლება საკმაოდ შორს იყვნენ ერთმანეთისგან) და ის ფაქტი, რომ სინათლის ტალღების ზემოქმედებით შესაძლებელია ნათელის მიღება. ლაქა ტალღის სიგრძეზე ნაკლები დიამეტრით.

ერთმანეთზე გადაფარვისას, სინათლის ტალღებს შეუძლიათ გააუქმონ ერთმანეთი, შესაბამისად, ნიმუშის განათების პარამეტრები ისეთია, რომ უმცირესი შესაძლო ფართობი მოხვდება ნათელ რეგიონში. მათემატიკურ ალგორითმებთან ერთად, რომლებსაც შეუძლიათ, მაგალითად, მოჩვენებები ამოიღონ, ასეთი მიმართულების განათება უზრუნველყოფს სურათის ხარისხის მკვეთრ გაუმჯობესებას. შესაძლებელი ხდება, მაგალითად, უჯრედშიდა სტრუქტურების გამოკვლევა ოპტიკური მიკროსკოპით და თანაც (აღწერილი მეთოდის შერწყმა კონფოკალურ მიკროსკოპთან) მათი სამგანზომილებიანი გამოსახულების მიღება.

ელექტრონული მიკროსკოპი ელექტრონული ინსტრუმენტების წინ

ატომებისა და მოლეკულების აღმოსაჩენად მეცნიერებს არ სჭირდებოდათ მათი დათვალიერება – მოლეკულურ თეორიას არ სჭირდებოდა ობიექტის დანახვა. მაგრამ მიკრობიოლოგია მხოლოდ მიკროსკოპის გამოგონების შემდეგ გახდა შესაძლებელი. მაშასადამე, თავიდან მიკროსკოპები სწორედ მედიცინასა და ბიოლოგიასთან იყო დაკავშირებული: ფიზიკოსები და ქიმიკოსები, რომლებიც სწავლობდნენ ბევრად უფრო პატარა ობიექტებს, რომლებსაც სხვა საშუალებებით მართავდნენ. როდესაც მათ ასევე სურდათ მიკროსამყაროს დათვალიერება, დიფრაქციის შეზღუდვები სერიოზულ პრობლემად იქცა, მით უმეტეს, რომ ზემოთ აღწერილი ფლუორესცენტული მიკროსკოპის მეთოდები ჯერ კიდევ უცნობი იყო. და მცირე აზრი აქვს გარჩევადობის გაზრდას 500-დან 100 ნანომეტრამდე, თუ განსახილველი ობიექტი კიდევ უფრო ნაკლებია!

იცოდნენ, რომ ელექტრონებს შეუძლიათ მოიქცნენ როგორც ტალღის, ასევე ნაწილაკების სახით, გერმანიის ფიზიკოსებმა შექმნეს ელექტრონული ლინზა 1926 წელს. მის საფუძველში არსებული იდეა ძალიან მარტივი და გასაგები იყო ნებისმიერი სკოლის მოსწავლესთვის: ვინაიდან ელექტრომაგნიტური ველი აფერხებს ელექტრონებს, მაშინ მისი დახმარებით შეგიძლიათ შეცვალოთ ამ ნაწილაკების სხივის ფორმა და გადაიტანოთ ისინი. სხვადასხვა მხარეები, ან, პირიქით, შეამცირეთ სხივის დიამეტრი. ხუთი წლის შემდეგ, 1931 წელს, ერნსტ რუსკამ და მაქს ნოლმა ააშენეს მსოფლიოში პირველი ელექტრონული მიკროსკოპი. მოწყობილობაში ნიმუში ჯერ ელექტრონული სხივით იყო განათებული, შემდეგ კი ელექტრონულმა ლინზამ გააფართოვა სხივი, რომელიც გაიარა, სანამ ის სპეციალურ ლუმინესცენტურ ეკრანზე დაეცემა. პირველი მიკროსკოპი მხოლოდ 400-ჯერ გადიდებდა, მაგრამ სინათლის ელექტრონებით ჩანაცვლებამ გზა გახსნა ასობით ათასი გადიდებით ფოტოგრაფიისთვის: დიზაინერებს მხოლოდ რამდენიმე ტექნიკური დაბრკოლების გადალახვა მოუწიათ.

ელექტრონულმა მიკროსკოპმა შესაძლებელი გახადა უჯრედების სტრუქტურის ისეთი ხარისხით გამოკვლევა, რომელიც ადრე მიუღწეველი იყო. მაგრამ ამ სურათიდან შეუძლებელია უჯრედების ასაკისა და მათში გარკვეული ცილების არსებობის გაგება და ეს ინფორმაცია მეცნიერებისთვის ძალიან აუცილებელია.

ელექტრონული მიკროსკოპები ახლა ვირუსების ახლო ხედის ფოტოების გადაღების საშუალებას იძლევა. არსებობს მოწყობილობების სხვადასხვა მოდიფიკაცია, რომელიც საშუალებას იძლევა არა მხოლოდ გაბრწყინდეს თხელი სექციებით, არამედ განიხილოს ისინი "არეკლულ სინათლეში" (რა თქმა უნდა, ასახულ ელექტრონებში). ჩვენ დეტალურად არ ვისაუბრებთ მიკროსკოპის ყველა ვარიანტზე, მაგრამ აღვნიშნავთ, რომ ახლახან მკვლევარებმა ისწავლეს როგორ აღადგინონ გამოსახულება დიფრაქციის ნიმუშიდან.

შეეხეთ, არ ხედავთ

მორიგი რევოლუცია მოხდა „გაანათე და ნახე“ პრინციპიდან შემდგომი გადახვევის ხარჯზე. ატომური ძალის მიკროსკოპი, ისევე როგორც სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი, აღარ ანათებს ნიმუშების ზედაპირზე. ამის ნაცვლად, განსაკუთრებით თხელი ნემსი მოძრაობს ზედაპირზე, რომელიც სიტყვასიტყვით ბრუნავს ერთი ატომის ზომის მუწუკებზეც კი.

ყველა ასეთი მეთოდის დეტალებში ჩასვლის გარეშე, ჩვენ აღვნიშნავთ მთავარს: გვირაბის მიკროსკოპის ნემსი შეიძლება არა მხოლოდ ზედაპირის გასწვრივ გადაადგილდეს, არამედ გამოიყენოთ ატომების ადგილიდან ადგილის გადასაწყობად. ასე ქმნიან მეცნიერები წარწერებს, ნახატებს და მულტფილმებსაც კი, რომლებშიც დახატული ბიჭი თამაშობს ატომს. ნამდვილი ქსენონის ატომი, რომელიც გამოათრიეს სკანირების გვირაბის მიკროსკოპის წვერით.

მას უწოდებენ გვირაბის მიკროსკოპს, რადგან ის იყენებს გვირაბის დენის ეფექტს, რომელიც მიედინება ნემსით: ელექტრონები გადიან უფსკრული ნემსსა და ზედაპირს შორის წინასწარმეტყველების გამო. კვანტური მექანიკაგვირაბის ეფექტი. ამ მოწყობილობის მუშაობისთვის საჭიროა ვაკუუმი.

ატომური ძალის მიკროსკოპი (AFM) გაცილებით ნაკლებად მოთხოვნადია გარემო პირობებზე - მას შეუძლია (რიგ შეზღუდვებით) იმუშაოს ჰაერის ამოტუმბვის გარეშე. გარკვეული გაგებით, AFM არის გრამოფონის ნანოტექნოლოგიური მემკვიდრე. ნემსი, რომელიც დამონტაჟებულია თხელ და მოქნილ კონსოლზე ( კონსოლიდა არის „სამაგრი“), მოძრაობს ზედაპირის გასწვრივ მასზე ძაბვის გამოყენების გარეშე და მიჰყვება ნიმუშის რელიეფს ისევე, როგორც გრამოფონის ნემსი მიჰყვება გრამოფონის ჩანაწერის ღარების გასწვრივ. კონსოლის დახრილობა იწვევს მასზე დამაგრებული სარკის გადახრას, სარკე გადახრის ლაზერის სხივს და ეს შესაძლებელს ხდის ძალიან ზუსტად განვსაზღვროთ შესასწავლი ნიმუშის ფორმა. მთავარია გვქონდეს ნემსის გადაადგილების საკმაოდ ზუსტი სისტემა, ასევე ნემსების მარაგი, რომელიც უნდა იყოს იდეალურად ბასრი. ასეთი ნემსების წვერებზე გამრუდების რადიუსი არ შეიძლება აღემატებოდეს ერთ ნანომეტრს.

AFM საშუალებას გაძლევთ ნახოთ ცალკეული ატომები და მოლეკულები, მაგრამ, გვირაბის მიკროსკოპის მსგავსად, ის არ გაძლევთ საშუალებას იხილოთ ნიმუშის ზედაპირის ქვეშ. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მეცნიერებმა უნდა აირჩიონ ატომების დანახვა და მთლიანი ობიექტის შესწავლა. თუმცა, ოპტიკური მიკროსკოპისთვისაც კი, შესწავლილი ნიმუშების შიგთავსი ყოველთვის არ არის ხელმისაწვდომი, რადგან მინერალები ან ლითონები, როგორც წესი, ცუდად გადასცემენ სინათლეს. გარდა ამისა, ჯერ კიდევ არის სირთულეები ატომების გადაღებასთან დაკავშირებით - ეს ობიექტები უბრალო ბურთებივით ჩნდებიან, ელექტრონული ღრუბლების ფორმა ასეთ სურათებზე არ ჩანს.

სინქროტრონის გამოსხივება, რომელიც ხდება ამაჩქარებლების მიერ გაფანტული დამუხტული ნაწილაკების შენელების დროს, შესაძლებელს ხდის პრეისტორიული ცხოველების გაქვავებული ნაშთების შესწავლას. ნიმუშის როტაცია ქვეშ რენტგენი, შეგვიძლია მივიღოთ სამგანზომილებიანი ტომოგრამები - ასე, მაგალითად, 300 მილიონი წლის წინ გადაშენებული თევზის თავის ქალაში აღმოაჩინეს ტვინი. თქვენ შეგიძლიათ გააკეთოთ ბრუნვის გარეშე, თუ გადაცემული გამოსხივების რეგისტრაცია ხდება დიფრაქციის გამო მიმოფანტული რენტგენის სხივების დაფიქსირებით.

და ეს არ არის ყველა ის შესაძლებლობა, რასაც რენტგენი ხსნის. მისი დასხივებისას ბევრი მასალა ფლუორესცირდება და ნივთიერების ქიმიური შემადგენლობა შეიძლება განისაზღვროს ფლუორესცენციის ბუნებით: ამ გზით მეცნიერები აფერადებენ უძველეს არტეფაქტებს, შუა საუკუნეებში წაშლილ არქიმედეს ნამუშევრებს ან ფერს. დიდი ხნის გადაშენებული ფრინველების ბუმბული.

ატომების პოზირება

რენტგენის ან ოპტიკური ფლუორესცენციის მეთოდებით მოწოდებული ყველა შესაძლებლობის ფონზე, ცალკეული ატომების ფოტოგრაფიის ახალი გზა მეცნიერებაში ისეთი დიდი მიღწევა აღარ ჩანს. მეთოდის არსი, რამაც შესაძლებელი გახადა ამ კვირაში წარმოდგენილი სურათების მოპოვება, ასეთია: იონიზირებული ატომებიდან ელექტრონები იჭრება და იგზავნება სპეციალურ დეტექტორში. იონიზაციის ყოველი აქტი აშორებს ელექტრონს გარკვეული პოზიციიდან და აძლევს ერთ წერტილს "ფოტოზე". რამდენიმე ათასი ასეთი წერტილის დაგროვების შემდეგ, მეცნიერებმა შექმნეს სურათი, სადაც ნაჩვენებია ატომის ბირთვის გარშემო ელექტრონის პოვნის ყველაზე სავარაუდო ადგილები და ეს, განსაზღვრებით, არის ელექტრონული ღრუბელი.

დასასრულს, ვთქვათ, რომ ცალკეული ატომების ელექტრონული ღრუბლებით დანახვის უნარი უფრო ჰგავს თანამედროვე მიკროსკოპის ნამცხვარს ალუბლს. მეცნიერებისთვის მნიშვნელოვანი იყო მასალების სტრუქტურის შესწავლა, უჯრედებისა და კრისტალების შესწავლა და ამის შედეგად მიღებული ტექნოლოგიების განვითარებამ შესაძლებელი გახადა წყალბადის ატომამდე მიღწევა. არაფერი ნაკლები უკვე ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკის სპეციალისტების ინტერესის სფეროა. ბიოლოგებს, მასალების მეცნიერებს და გეოლოგებს ჯერ კიდევ აქვთ საშუალება გააუმჯობესონ მიკროსკოპები ატომებთან შედარებით საკმაოდ მოკრძალებული გადიდებითაც კი. მაგალითად, ნეიროფიზიოლოგიის ექსპერტებს დიდი ხანია სურდათ ჰქონოდათ მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია დაინახოს ცალკეული უჯრედები ცოცხალი ტვინის შიგნით, ხოლო როვერების შემქმნელები თავიანთ სულებს გაყიდიან ელექტრონულ მიკროსკოპზე, რომელიც მოერგება კოსმოსურ ხომალდს და შეძლებს მარსზე მუშაობას.

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. კვანტურ მექანიკას იმდენად 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 შემუშავებულ მეთოდოლოგიას 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.