Өздеріңіз білетіндей, Әлемдегі барлық заттар атомдардан тұрады. Атом – оның қасиеттерін алып жүретін заттың ең кіші бірлігі. Өз кезегінде атомның құрылымы микробөлшектердің сиқырлы үштігінен тұрады: протондар, нейтрондар және электрондар.
Сонымен қатар, микробөлшектердің әрқайсысы әмбебап болып табылады. Яғни, дүниеде екі түрлі протон, нейтрон немесе электрон таба алмайсыз. Олардың барлығы бір-біріне мүлдем ұқсайды. Ал атомның қасиеттері атомның жалпы құрылымындағы осы микробөлшектердің сандық құрамына ғана байланысты болады.
Мысалы, сутегі атомының құрылымы бір протон мен бір электроннан тұрады. Келесі күрделілікте гелий атомы екі протоннан, екі нейтроннан және екі электроннан тұрады. Литий атомы үш протоннан, төрт нейтроннан және үш электроннан және т.б.
Атомдардың құрылысы (солдан оңға қарай): сутегі, гелий, литий
Атомдар молекулаларға, ал молекулалар заттарға, минералдарға және организмдерге біріктіріледі. Бүкіл тіршіліктің негізі болып табылатын ДНҚ молекуласы – жолда жатқан тас сияқты ғаламның үш сиқырлы құрылыс блоктарынан құрастырылған құрылым. Бұл құрылым әлдеқайда күрделі болғанымен.
Атом жүйесінің пропорциялары мен құрылымын тереңірек қарастыруға тырысқанда, одан да таңғажайып фактілер ашылады. Атом ядродан және оның айналасында шарды сипаттайтын траектория бойынша қозғалатын электрондардан тұратыны белгілі. Яғни, оны сөздің әдеттегі мағынасында қозғалыс деп те атауға болмайды. Электрон барлық жерде және бірден осы сфераның ішінде орналасып, ядроның айналасында электронды бұлт жасайды және электромагниттік өрісті құрайды.
Атом құрылысының схемалық бейнелері
Атом ядросы протондар мен нейтрондардан тұрады және онда жүйенің барлық дерлік массасы шоғырланған. Бірақ сонымен бірге ядроның өзі соншалықты кішкентай, егер сіз оның радиусын 1 см масштабқа дейін арттырсаңыз, атомның бүкіл құрылымының радиусы жүздеген метрге жетеді. Осылайша, біз тығыз материя ретінде қабылдайтын барлық нәрсе физикалық бөлшектердің арасындағы энергетикалық байланыстардың 99% -дан астамын және физикалық формалардың 1% -дан азын құрайды.
Бірақ бұл физикалық формалар қандай? Олар неден жасалған және олар қандай материалдан жасалған? Бұл сұрақтарға жауап беру үшін протондардың, нейтрондардың және электрондардың құрылымдарын егжей-тегжейлі қарастырайық. Сонымен, біз микрокосмостың тереңдігіне - субатомдық бөлшектер деңгейіне тағы бір қадам төмен түсеміз.
Электрон неден тұрады?
Атомның ең кіші бөлшегі – электрон. Электронның массасы бар, бірақ көлемі жоқ. Ғылыми көзқараста электрон ештеңеден тұрмайды, бірақ құрылымы жоқ нүкте.
Электронды микроскоппен қарау мүмкін емес. Ол атом ядросының айналасында анық емес сфераға ұқсайтын электронды бұлт түрінде ғана байқалады. Сонымен бірге электронның белгілі бір уақытта қай жерде орналасқанын дәл айту мүмкін емес. Құрылғылар бөлшектің өзін емес, тек оның энергетикалық ізін түсіре алады. Электронның мәні материя ұғымына енбейді. Бұл тек қозғалыста және қозғалыс арқылы болатын бос форма сияқты.
Электронда әлі ешқандай құрылым табылған жоқ. Бұл энергия кванты сияқты нүктелік бөлшек. Шын мәнінде, электрон энергия болып табылады, бірақ бұл оның жарық фотондарымен бейнеленгеннен гөрі тұрақты түрі.
Қазіргі уақытта электрон бөлінбейтін болып саналады. Бұл түсінікті, өйткені көлемі жоқ нәрсені бөлу мүмкін емес. Дегенмен, теорияда қазірдің өзінде әзірлемелер бар, оған сәйкес электронның құрамында квазибөлшектердің үштігі бар:
- Орбитон – электронның орбиталық орны туралы ақпаратты қамтиды;
- Спинон - айналдыру немесе айналдыру моменті үшін жауапты;
- Холон – электронның заряды туралы ақпаратты тасымалдайды.
Алайда, көріп отырғанымыздай, квазибөлшектердің материямен ешқандай ортақтығы жоқ және тек ақпаратты алып жүреді.
Электрондық микроскоптағы әртүрлі заттардың атомдарының фотосуреттері
Бір қызығы, электрон жарық немесе жылу сияқты энергия кванттарын жұта алады. Бұл жағдайда атом жаңа энергетикалық деңгейге көшеді, ал электрон бұлтының шекаралары кеңейеді. Сондай-ақ, электрон жұтқан энергияның үлкендігі сонша, ол атомдық жүйеден секіріп, тәуелсіз бөлшек ретінде қозғалысын жалғастыра алады. Сонымен бірге ол жарықтың фотоны сияқты әрекет етеді, яғни ол бөлшек болудан қалып, толқын қасиеттерін көрсете бастайды. Бұл экспериментте дәлелденді.
Янг тәжірибесі
Тәжірибе барысында екі тесігі бар экранға электрондар ағыны бағытталды. Осы саңылаулардан өткен электрондар басқа проекциялық экранның бетімен соқтығысып, онда өз іздерін қалдырды. Электрондардың бұл «бомбалауының» нәтижесінде проекция экранында екі саңылаудан бөлшектер емес, толқындар өткенде пайда болатынға ұқсас интерференциялық үлгі пайда болды.
Мұндай заңдылық екі ұяның арасынан өтетін толқынның екі толқынға бөлінуіне байланысты пайда болады. Әрі қарай қозғалыс нәтижесінде толқындар бір-бірін жабады, ал кейбір аймақтарда олар бір-бірін жояды. Нәтижесінде біз проекциялық экранда бір емес, көптеген жолақтар аламыз, егер электрон бөлшек сияқты әрекет етсе.
Атом ядросының құрылысы: протондар мен нейтрондар
Протондар мен нейтрондар атомның ядросын құрайды. Жалпы көлемде өзек 1%-дан азын алатынына қарамастан, жүйенің барлық дерлік массасы дәл осы құрылымда шоғырланған. Бірақ протондар мен нейтрондардың құрылымына байланысты физиктер екіге бөлінеді және қазіргі уақытта бірден екі теория бар.
- №1 теория – Стандарт
Стандартты модель протондар мен нейтрондар глюондар бұлты арқылы қосылған үш кварктан тұрады деп айтады. Кварктар кванттар мен электрондар сияқты нүктелік бөлшектер. Ал глюондар – кварктардың өзара әрекеттесуін қамтамасыз ететін виртуалды бөлшектер. Бірақ табиғатта кварктар да, глюондар да табылмады, сондықтан бұл модель қатты сынға ұшырайды.
- №2 теория – альтернативті
Бірақ Эйнштейн әзірлеген балама біртұтас өріс теориясына сәйкес протон нейтрон сияқты физикалық әлемнің кез келген басқа бөлшектері сияқты жарық жылдамдығымен айналатын электромагниттік өріс болып табылады.
Адамның және планетаның электромагниттік өрістері
Атом құрылысының принциптері қандай?
Дүниедегі барлық нәрсе - нәзік және тығыз, сұйық, қатты және газ тәрізді - бұл Ғалам кеңістігіне енетін сансыз өрістердің энергетикалық күйлері. Өрістегі энергия деңгейі неғұрлым жоғары болса, соғұрлым ол жұқа және аз қабылданады. Энергия деңгейі неғұрлым төмен болса, соғұрлым ол тұрақты және нақты болады. Атомның құрылымында, сондай-ақ Әлемнің кез келген басқа бірлігінің құрылымында мұндай өрістердің өзара әрекеттесуі жатыр - энергия тығыздығы әртүрлі. Материя тек ақыл-ойдың елесі болып шығады.
Атом (грек тілінен аударғанда «бөлінбейтін») бір кездері микроскопиялық өлшемдегі материяның ең кішкентай бөлшегі, оның қасиеттерін көрсететін химиялық элементтің ең кішкентай бөлігі. Атомның құрамдас бөліктері - протондар, нейтрондар, электрондар енді бұл қасиеттерге ие емес және оларды бірге құрайды. Коваленттік атомдар молекулалар түзеді. Ғалымдар атомның ерекшеліктерін зерттейді және олар қазірдің өзінде жақсы зерттелгенімен, олар жаңа нәрсені табу мүмкіндігін жіберіп алмайды - атап айтқанда, жаңа материалдар мен жаңа атомдарды жасау саласында (периодтық кестені жалғастыру). Атом массасының 99,9%-ы ядрода.
Атаудан қорықпаңыз. SLAC Ұлттық үдеткіш зертханасының қызметкерлері кездейсоқ жасаған қара дыры көлемі бойынша бір ғана атом болып шықты, сондықтан бізге ештеңе қауіп төндірмейді. Ал «қара тесік» атауы зерттеушілер бақылаған құбылысты тек қашықтан сипаттайды. деп аталатын әлемдегі ең қуатты рентгендік лазер туралы біз бірнеше рет айттық
Дегенмен, атомның кез келген бөлігін емес, өзін суретке түсіру тіпті ең жоғары технологиялық құрылғылармен де өте қиын жұмыс болды.
Өйткені, кванттық механика заңдары бойынша субатомдық бөлшектің барлық қасиеттерін бірдей дәл анықтау мүмкін емес. Теориялық физиканың бұл бөлімі Гейзенберг белгісіздік принципіне негізделген, ол бөлшектің координаталары мен импульсін бірдей дәлдікпен өлшеу мүмкін емес - бір қасиеттің дәл өлшеуі екіншісі туралы деректерді өзгертетіні сөзсіз.
Сондықтан, орналасу орнын (бөлшектердің координаталарын) анықтаудың орнына, кванттық теория толқындық функция деп аталатынды өлшеуді ұсынады.
Толқын функциясы дыбыс толқыны сияқты жұмыс істейді. Жалғыз айырмашылығы, дыбыс толқынының математикалық сипаттамасы белгілі бір жерде ауадағы молекулалардың қозғалысын анықтайды, ал толқындық функция бөлшектің бір жерде немесе басқа жерде пайда болу ықтималдығын Шредингер теңдеуі бойынша сипаттайды.
Толқындық функцияны өлшеу де оңай емес (тікелей бақылаулар оның құлдырауына әкеледі), бірақ теориялық физиктер оның мәндерін шамамен болжай алады.
Толқындық функцияның барлық параметрлерін эксперименттік түрде атомдар немесе молекулалардың толығымен бірдей жүйелерінде жүргізілген жекелеген деструктивті өлшеулерден жинаған жағдайда ғана өлшеуге болады.
Голландиялық AMOLF ғылыми-зерттеу институтының физиктері ешқандай «қайта құруды» қажет етпейтін жаңа әдісті ұсынып, өз жұмыстарының нәтижелерін Physical Review Letters журналында жариялады. Олардың әдістемесі кеңестік үш физик-теоретиктің 1981 жылғы гипотезасына, сондай-ақ соңғы зерттеулерге негізделген.
Эксперимент барысында ғалымдар тобы арнайы камераға орналастырылған сутегі атомдарына екі лазер сәулесін бағыттады. Осындай әсер ету нәтижесінде электрондар орбиталарынан толқындық функцияларымен анықталған жылдамдықпен және бағытта шықты. Сутегі атомдары орналасқан камерадағы күшті электр өрісі электрондарды жазық (жазық) детектордың белгілі бөліктеріне жіберді.
Детекторға соғылған электрондардың орны камерадағы орналасуымен емес, олардың бастапқы жылдамдығымен анықталды. Осылайша, детектордағы электрондардың таралуы ғалымдарға сутегі атомының ядросының айналасындағы орбитадан шыққан кездегі бұл бөлшектердің толқындық функциясы туралы айтты.
Электрондардың қозғалыстары фосфорлы экранда қараңғы және ашық сақиналар түрінде көрсетілді, ғалымдар оны жоғары ажыратымдылықтағы цифрлық камерамен суретке түсірді.
"Нәтижелерімізге өте ризамыз. Кванттық механиканың адамдардың күнделікті өміріне қатысы жоқ болғандықтан, атомдағы кванттық өзара әрекеттесулердің нақты фотосуретін алу ешкімнің ойына келмеді", - дейді зерттеудің жетекші авторы Анета Стодолна. Ол сондай-ақ әзірленген техниканың практикалық қолданылуы мүмкін екенін айтады, мысалы, қалыңдығы атом өткізгіштерін жасау, молекулалық сымдар технологиясын дамыту, бұл заманауи электронды құрылғыларды айтарлықтай жақсартады.
"Бір қызығы, эксперимент біздің Әлемдегі ең қарапайым және ең көп таралған зат болып табылатын сутегіге жасалған. Бұл әдісті күрделірек атомдарға қолдануға болатынын түсіну қажет. Егер солай болса, онда бұл электрониканы ғана емес, нанотехнологияны да дамытуға мүмкіндік беретін үлкен серпіліс», - дейді зерттеуге қатыспаған Оттава университетінің Джефф Лундин.
Алайда тәжірибе жүргізген ғалымдардың өздері мәселенің практикалық жағын ойламайды. Олардың пайымдауынша, олардың ашылуы ең алдымен іргелі ғылымға қатысты, бұл болашақ физиктердің ұрпақтарына көбірек білім беруге көмектеседі.
Америка Құрама Штаттарының физиктері жеке атомдарды рекордтық рұқсатпен фотосуретке түсіріп алды, - деп хабарлайды Day.Az Vesti.ru сайтына сілтеме жасап.
Америка Құрама Штаттарының Корнелл университетінің ғалымдары жарты ангстромнан (0,39 Å) азырақ рекордтық рұқсатпен жеке атомдарды фотосуретке түсіре алды. Алдыңғы фотосуреттер жарты ажыратымдылыққа ие болды - 0,98 Å.
Атомдарды көре алатын қуатты электронды микроскоптар шамамен жарты ғасыр болды, бірақ олардың ажыратымдылығы орташа атомның диаметрінен үлкен болатын көрінетін жарықтың ұзын толқын ұзындығымен шектеледі.
Сондықтан ғалымдар электронды микроскоптардағы кескінді фокустайтын және үлкейтетін линзалардың аналогының бір түрін пайдаланады - олар магнит өрісі. Дегенмен, магнит өрісіндегі ауытқулар нәтижені бұрмалайды. Бұрмалауларды жою үшін магнит өрісін түзететін, бірақ сонымен бірге электронды микроскоп дизайнының күрделілігін арттыратын қосымша құрылғылар қолданылады.
Бұрын Корнелл университетінің физиктері жеке электрондарға сезімтал бір шағын 128x128 пиксельдік массивпен келетін электрондарды фокустайтын генераторлардың күрделі жүйесін алмастыратын Электрондық микроскоптың пиксельдік массив детекторын (EMPAD) әзірледі. Әрбір пиксель электронды шағылу бұрышын тіркейді; Оны біле отырып, ғалымдар птиикография әдісін қолданып, электрондардың сипаттамаларын, оның ішінде оның шығарылған нүктесінің координаталарын қалпына келтіреді.
Ең жоғары ажыратымдылықтағы атомдар
Дэвид А. Мюллер және т.б. Табиғат, 2018 ж.
2018 жылдың жазында физиктер алынған кескіндердің сапасын бүгінгі күнге дейін рекордтық ажыратымдылыққа дейін жақсарту туралы шешім қабылдады. Ғалымдар жылжымалы сәулеге 2D материалы - молибден сульфиді MoS2 парағын бекітіп, сәулені электронды көзге әртүрлі бұрыштармен бұру арқылы электронды сәулелерді шығарды. EMPAD және птикографияны пайдалана отырып, ғалымдар молибденнің жеке атомдары арасындағы қашықтықты анықтап, 0,39 Å рекордтық рұқсатпен сурет алды.
«Шын мәнінде, біз әлемдегі ең кішкентай сызғышты жасадық», - деп түсіндіреді эксперимент авторларының бірі Сол Грюнер (Sol Gruner). Алынған суретте рекордтық рұқсаты 0,39 Å болатын күкірт атомдарын көруге болады. Оның үстіне, біз тіпті осындай бір атомның жетіспейтін жерін де көрдік (көрсеткімен көрсетілген).
Рекордтық рұқсаттағы күкірт атомдары
Тррль атомдарды ұстай бастады, олардан электрондарды сыпырды, протондарды тек саусақтары жыпылықтайтын етіп илей бастады, протон қамырын дайындады, оның айналасына электрондарды орналастырды және - келесі атом үшін; Оның қолына бір құйма таза алтын ұстағанша бес минуттан аз уақыт өтті: ол оны аузына берді, бірақ ол тісіндегі сырықтың дәмін татып, басын изеді:
– Расында да алтын, бірақ мен атомдарды олай қуа алмаймын. Мен тым үлкенмін.
- Ештеңе, біз сізге арнайы аппарат береміз! Трурл оны көндірді.
Станислав Лем, Киберия
Атомды микроскоппен көруге, оны басқа атомнан ажыратуға, химиялық байланыстың жойылуын немесе түзілуін қадағалап, бір молекуланың екінші молекулаға қалай айналатынын көруге бола ма? Иә, егер ол қарапайым микроскоп емес, атомдық күш болса. Сіз бақылаумен шектеле аласыз және шектелмейсіз. Біз атомдық күш микроскопы микроәлемге терезе болудан қалған уақытта өмір сүріп жатырмыз. Бүгінгі таңда бұл құралды атомдарды жылжыту, химиялық байланыстарды бұзу, бір молекулалардың созылу шегін зерттеу және тіпті адам геномын зерттеу үшін пайдалануға болады.
Ксенон пикселдерінен әріптер
Атомдарды қарастыру әрқашан оңай болған емес. Атомдық күш микроскопының тарихы 1979 жылы Цюрихтегі IBM зерттеу орталығында жұмыс істейтін Герд Карл Бинниг пен Генрих Рорер атомдық рұқсаты бар беттерді зерттеуге мүмкіндік беретін құрал жасай бастаған кезде басталды. Мұндай құрылғыны ойлап табу үшін зерттеушілер туннельдік ауысу эффектісін – электрондардың өтпейтін сияқты көрінетін кедергілерді жеңу қабілетін қолдануды ұйғарды. Идея сканерлеу зонды мен зерттелетін бет арасында пайда болатын туннельдік ток күшін өлшеу арқылы үлгідегі атомдардың орнын анықтау болды.
Бинниг пен Рорер табысқа жетті және олар сканерлеуші туннельдік микроскопты (STM) ойлап тапқандар ретінде тарихқа енді және 1986 жылы физика бойынша Нобель сыйлығын алды. Сканерлеуші туннельдік микроскоп физика мен химияда нағыз төңкеріс жасады.
1990 жылы Калифорниядағы IBM зерттеу орталығында жұмыс істейтін Дон Эйглер мен Эрхард Швейтцер STM атомдарды бақылау үшін ғана емес, оларды басқару үшін де қолдануға болатынын көрсетті. Сканерлеуші туннельдік микроскоптың зондын пайдалана отырып, олар химиктердің жеке атомдармен жұмыс істеуге көшуін білдіретін ең танымал кескінді жасады - олар 35 ксенон атомдары бар никель бетіне үш әріпті бояды (1-сурет).
Бинниг қол жеткізген жетістіктерімен тоқтап қалмады - Нобель сыйлығын алған жылы Кристофер Гербер және Кальвин Куэйтпен бірге IBM Цюрих зерттеу орталығында жұмыс істеген ол кемшіліктері жоқ микроәлемді зерттеуге арналған басқа құрылғыда жұмыс істей бастады. олар STM-ге тән. Шындығында, сканерлеуші туннельдік микроскоптың көмегімен диэлектрлік беттерді зерттеу мүмкін емес еді, тек өткізгіштер мен жартылай өткізгіштер ғана, ал соңғысын талдау үшін олар мен микроскоптың зондының арасында айтарлықтай сирек болу керек болды. Қолданыстағы құрылғыны жаңартудан гөрі жаңа құрылғы жасау оңайырақ екенін түсінген Бинниг, Гербер және Квайт атомдық күштік микроскопты немесе AFM ойлап тапты. Оның жұмыс істеу принципі түбегейлі ерекшеленеді: бет туралы ақпаратты алу үшін микроскоптың зонды мен зерттелетін үлгі арасындағы ток күші өлшенбейді, бірақ олардың арасында пайда болатын тартылыс күштерінің мәні, яғни әлсіз химиялық емес әрекеттесулер – ван-дер-Ваальс күштері.
AFM бірінші жұмыс моделі салыстырмалы түрде қарапайым болды. Зерттеушілер икемді микромеханикалық сенсорға - алтын фольга консольына (тарту зонд пен атом арасында пайда болады, консоль тартылу күшіне байланысты иіліп, пьезоэлектрикті деформациялайды) байланыстырылған гауһар зондты үлгінің бетінен жылжытты. Консольдің иілу дәрежесі пьезоэлектрлік датчиктердің көмегімен анықталды - дәл осылай винил жазбасының ойықтары мен жоталары аудио жазбаға айналады. Атомдық күш микроскопының конструкциясы оған 10-18 Ньютонға дейінгі тартымды күштерді анықтауға мүмкіндік берді. Жұмыс прототипін жасағаннан кейін бір жылдан кейін зерттеушілер 2,5 ангстром рұқсатымен графит бетінің топографиясының кескінін ала алды.
Содан бері өткен үш онжылдықта AFM кез келген дерлік химиялық объектіні - керамикалық материалдың бетінен тірі жасушалар мен жеке молекулаларды статикалық және динамикалық күйде зерттеу үшін қолданылды. Атомдық күш микроскопиясы химиктер мен материалтанушылардың жұмыс атына айналды және бұл әдіс қолданылатын жұмыстардың саны үнемі өсіп келеді (2-сурет).
Көптеген жылдар бойы зерттеушілер атомдық күш микроскопиясының көмегімен объектілерді жанасу және байланыссыз зерттеу шарттарын таңдады. Жоғарыда сипатталған контакт әдісі консоль мен бет арасындағы ван-дер-Ваальс әрекеттесуіне негізделген. Контактісіз режимде жұмыс істегенде, пьезовибратор зонд тербелістерін белгілі бір жиілікте (көбінесе резонанстық) қоздырады. Беткейден әсер ететін күш зонд тербелістерінің амплитудасының да, фазасының да өзгеруіне әкеледі. Байланыссыз әдістің кейбір кемшіліктеріне қарамастан (бірінші кезекте сыртқы шуға сезімталдық), дәл осы әдіс зондтың зерттелетін объектіге әсерін жоққа шығарады, сондықтан химиктер үшін қызықтырақ.
Зондтарда тірі, байланыстарды қуып
Атомдық күш микроскопиясы 1998 жылы Биннигтің шәкірті Франц Йозеф Гиссиблдің жұмысының арқасында байланыссыз болды. Дәл ол консоль ретінде тұрақты жиіліктегі кварцтық анықтамалық осцилляторды пайдалануды ұсынған. 11 жылдан кейін Цюрихтегі IBM зертханасының зерттеушілері байланыссыз AFM-нің тағы бір модификациясын жасады: зонд-датчиктің рөлін өткір алмаз кристалы емес, бір молекула - көміртегі тотығы атқарды. Бұл IBM Цюрих бөлімшесінен Лео Гросс көрсеткендей субатомдық рұқсатқа көшуге мүмкіндік берді. 2009 жылы AFM көмегімен ол атомдарды емес, химиялық байланыстарды көрінетін етіп жасады, пентацен молекуласы үшін жеткілікті анық және анық оқылатын «суретті» алды (3-сурет; Ғылым, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Химиялық байланыстың AFM көмегімен көрінетініне сенімді болған Лео Гросс әрі қарай жүріп, атомдық күшті микроскопты байланыс ұзындықтары мен тапсырыстарын өлшеу үшін - химиялық құрылымды, демек, заттардың қасиеттерін түсінудің негізгі параметрлерін пайдалануды шешті.
Еске салайық, байланыс реттерінің айырмашылығы әртүрлі электрон тығыздықтарын және екі атом арасындағы әртүрлі атомаралық қашықтықты көрсетеді (қарапайым тілмен айтқанда, қос байланыс бір байланысқа қарағанда қысқа). Этанда көміртек-көміртек байланысының реті бір, этиленде - екі, ал классикалық ароматты молекулада, бензолда көміртегі-көміртек байланысының реті бірден үлкен, бірақ екіден аз және 1,5 деп есептеледі.
Қарапайым ароматты жүйелерден жазық немесе көлемді поликонденсацияланған сақиналы жүйелерге өту кезінде байланыс ретін анықтау әлдеқайда қиын. Осылайша, конденсацияланған бес және алты мүшелі көміртегі циклдарынан тұратын фуллерендердегі байланыстардың реті бірден екіге дейінгі кез келген мәнді қабылдай алады. Теориялық тұрғыдан дәл осындай белгісіздік полициклді ароматты қосылыстарға да қатысты.
2012 жылы Лео Гросс Фабиан Монмен бірге көміртегі тотығымен модификацияланған металл жанаспайтын зонды бар атомдық күш микроскопы атомдар арасындағы зарядтардың таралуындағы айырмашылықтарды және атомаралық қашықтықтарды, яғни байланыс тәртібімен байланысты параметрлерді өлшей алатындығын көрсетті. ( Ғылым, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Бұл үшін олар фуллерендегі химиялық байланыстың екі түрін зерттеді - көміртегі-көміртекті байланыс, C 60 фуллереннің екі алты мүшелі көміртегі бар цикліне ортақ және бес және алты мүшелі үшін ортақ көміртегі-көміртекті байланыс. циклдар. Атомдық күштік микроскоп алты мүшелі сақиналардың конденсациясы C 6 және C 5 циклдік фрагменттерінің конденсациясына қарағанда қысқарақ және жоғары ретті байланысқа әкелетінін көрсетті. Орталық C 6 циклінің айналасында симметриялы орналасқан тағы алты C6 циклі гексабензокоронандағы химиялық байланыстың ерекшеліктерін зерттеу кванттық химиялық модельдеу нәтижелерін растады, оған сәйкес орталық сақинаның С-С байланыстарының реті (суретте). 4, әріп мен) осы сақинаны перифериялық циклдармен біріктіретін байланыстардан үлкен болуы керек (4-суретте, әріп j). Ұқсас нәтижелер тоғыз алты мүшелі сақинадан тұратын күрделірек полициклді ароматты көмірсутек үшін де алынды.
Байланыс тәртібі мен атомаралық қашықтық, әрине, органикалық химиктерді қызықтырды, бірақ бұл химиялық байланыстар теориясымен, реактивтілікті болжаумен және химиялық реакциялардың механизмдерін зерттеумен айналысатындар үшін маңыздырақ болды. Осыған қарамастан синтетикалық химиктер де, табиғи қосылыстардың құрылымын зерттейтін мамандар да таң қалдырды: атомдық күшті микроскопты молекулалардың құрылымын ЯМР немесе IR спектроскопиясы сияқты анықтау үшін қолдануға болатыны анықталды. Сонымен қатар, бұл әдістермен күресуге қабілетсіз сұрақтарға біржақты жауап береді.
Фотосуреттен киноға дейін
2010 жылы сол Лео Гросс пен Райнер Эбель бактериядан бөлінген табиғи қосылыс - цефаландол А құрылымын біржақты анықтай алды. Dermacoccus abyssi(Табиғат химиясы, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nhem.765). Цефаландол А құрамы бұрын масс-спектрометрия көмегімен анықталған, бірақ бұл қосылыстың ЯМР спектрлерін талдау оның құрылымы туралы сұраққа біржақты жауап бермеді: төрт нұсқа мүмкін болды. Атомдық күштік микроскопты пайдалана отырып, зерттеушілер бірден төрт құрылымның екеуін жоққа шығарды және AFM және кванттық химиялық модельдеу арқылы алынған нәтижелерді салыстыра отырып, қалған екеуін дұрыс таңдады. Тапсырма қиын болып шықты: пентацен, фуллерен және коронендерден айырмашылығы, цефаландол А құрамында көміртегі мен сутегі атомдары ғана емес, сонымен қатар бұл молекулада симметрия жазықтығы жоқ (5-сурет) - бірақ бұл мәселе де шешілді.
Атомдық күш микроскопын аналитикалық құрал ретінде пайдалануға болатынын одан әрі растау Оскар Кустанц тобынан, содан кейін Осака университетінің инженерлік мектебінде болды. Ол AFM көмегімен бір-бірінен көміртегі мен сутегінен әлдеқайда аз айырмашылығы бар атомдарды қалай ажыратуға болатынын көрсетті ( Табиғат, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц кремнийден, қалайыдан және қорғасыннан тұратын қорытпаның бетін зерттеді. Көптеген тәжірибелер нәтижесінде AFM зондының ұшы мен әртүрлі атомдар арасында пайда болатын күш әртүрлі болатынын анықтады (6-сурет). Мысалы, кремнийді зондтау кезінде ең күшті әрекеттесу, қорғасынды зондтау кезінде ең әлсіз әрекеттесу байқалды.
Болашақта жеке атомдарды тану үшін атомдық күштік микроскопияның нәтижелері ЯМР нәтижелері сияқты – салыстырмалы шамаларды салыстыру арқылы өңделеді деп болжануда. Датчик инесінің нақты құрамын бақылау қиын болғандықтан, сенсор мен әртүрлі беттік атомдар арасындағы күштің абсолютті мәні тәжірибелік жағдайларға және құрылғының брендіне байланысты, бірақ бұл күштердің кез келген құрамы мен пішіні үшін қатынасы. сенсор әрбір химиялық элемент үшін тұрақты болып қалады.
2013 жылы жеке молекулалардың химиялық реакцияларға дейін және одан кейінгі суреттерін алу үшін AFM қолданудың алғашқы мысалдары пайда болды: реакция өнімдері мен аралық өнімдерінен «фотосет» жасалады, оны кейіннен деректі фильм ретінде орнатуға болады ( Ғылым, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Берклидегі Калифорния университетінен Феликс Фишер мен Майкл Кромми бетіне күміс жағыпты 1,2-бис[(2-этинилфенил)этинил]бензол, молекулаларды бейнелеп, циклизацияны бастау үшін бетін қыздырды. Бастапқы молекулалардың жартысы біріктірілген бес алты мүшелі және екі бес мүшелі сақиналардан тұратын полициклді ароматты құрылымдарға айналды. Молекулалардың тағы төрттен бір бөлігі бір төрт мүшелі цикл және екі бес мүшелі цикл арқылы байланысқан төрт алты мүшелі циклдардан тұратын құрылымдарды құрады (Cурет 7). Қалған өнімдер олигомерлік құрылымдар және аз мөлшерде полициклді изомерлер болды.
Бұл нәтижелер зерттеушілерді екі рет таң қалдырды. Біріншіден, реакция кезінде тек екі негізгі өнім түзілді. Екіншіден, олардың құрылымы таң қалдырды. Фишер химиялық интуиция мен тәжірибе ондаған ықтимал реакция өнімдерін салуға мүмкіндік бергенін, бірақ олардың ешқайсысы бетінде пайда болған қосылыстарға сәйкес келмейтінін атап өтеді. Атипті химиялық процестердің пайда болуына бастапқы заттардың субстратпен әрекеттесуі ықпал еткен болуы мүмкін.
Әрине, химиялық байланыстарды зерттеудегі алғашқы елеулі табыстардан кейін кейбір зерттеушілер әлсіз және аз зерттелген молекулааралық өзара әрекеттесулерді, атап айтқанда, сутегі байланысын бақылау үшін AFM пайдалануды шешті. Дегенмен, бұл бағыттағы жұмыстар енді ғана басталып жатыр, олардың нәтижелері қарама-қайшы. Сонымен, кейбір басылымдарда атомдық күш микроскопиясы сутегі байланысын байқауға мүмкіндік берді ( Ғылым, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), басқаларында олар құрылғының дизайн ерекшеліктеріне байланысты бұл жәй ғана артефактілер екенін және эксперимент нәтижелерін мұқият түсіндіру керек деп санайды ( Физикалық шолу хаттары, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). Атомдық күш микроскопиясының көмегімен сутегі мен басқа молекулааралық әрекеттесулерді байқауға бола ма деген сұраққа соңғы жауап осы онжылдықта алынуы мүмкін. Ол үшін AFM ажыратымдылығын кем дегенде бірнеше есе арттырып, суреттерді шусыз алуды үйрену керек ( Физикалық шолу В, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).
Бір молекуланың синтезі
Шебер қолдарда STM және AFM екеуі де материяны зерттеуге қабілетті құралдардан материяның құрылымын бағытты түрде өзгертуге қабілетті құралдарға айналады. Бұл құрылғылардың көмегімен қазірдің өзінде колбаның орнына субстрат, ал реактивтердің мольдері немесе миллимолдарының орнына жеке молекулалар қолданылатын «ең кішкентай химиялық зертханаларды» алуға мүмкіндік болды.
Мысалы, 2016 жылы Такаши Құмағай бастаған халықаралық ғалымдар тобы порфицен молекуласын оның бір формасынан екіншісіне ауыстыру үшін жанаспайтын атомдық күшті микроскопияны қолданды ( Табиғат химиясы, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nhem.2552). Порфиценді порфириннің модификациясы ретінде қарастыруға болады, оның ішкі циклінде төрт азот атомы және екі сутегі атомы бар. AFM зондының тербелісі осы сутегін бір азот атомынан екіншісіне ауыстыру үшін порфицен молекуласына жеткілікті энергия берді, нәтижесінде осы молекуланың «айна бейнесі» алынды (8-сурет).
Шаршамайтын Лео Гросс басқарған топ бір молекуланың реакциясын бастауға болатынын да көрсетті – олар дибромоантраценді он мүшелі циклдік динеге айналдырды (9-сурет; Табиғат химиясы, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nhem.2300). Құмағай және басқаларынан айырмашылығы, олар молекуланы белсендіру үшін сканерлеуші туннельдік микроскопты қолданды және реакция нәтижесі атомдық күш микроскопының көмегімен бақыланды.
Сканерлеуші туннельдік микроскопты және атомдық күштік микроскопты біріктіріп пайдалану тіпті классикалық әдістер мен әдістерді қолдана отырып синтезделмейтін молекуланы алуға мүмкіндік берді ( Табиғат нанотехнологиясы, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Бұл триангулен тұрақсыз хош иісті дирадикал болып табылады, оның болуы алты онжылдық бұрын болжанған, бірақ синтездеудің барлық әрекеттері сәтсіз аяқталды (10-сурет). Нико Павличек тобының химиктері STM көмегімен оның прекурсорынан екі сутегі атомын алу және AFM көмегімен синтетикалық нәтижені растау арқылы қажетті қосылысты алды.
Органикалық химияда атомдық күштік микроскопияны қолдануға арналған жұмыстардың саны әлі де өсе береді деп болжануда. Қазіргі уақытта көбірек ғалымдар реакцияның бетінде белгілі «ерітінділер химиясын» қайталауға тырысуда. Бірақ синтетикалық химиктер бастапқыда AFM көмегімен беткі қабатта жүргізілген реакцияларды ерітіндіде шығара бастайды.
Тірі еместен тіріге дейін
Атомдық күш микроскоптарының консольдері мен зондтары аналитикалық зерттеулер немесе экзотикалық молекулалардың синтезі үшін ғана емес, қолданбалы есептерді шешу үшін де қолданылуы мүмкін. Медицинада AFM қолдану жағдайлары қазірдің өзінде белгілі, мысалы, қатерлі ісік ауруын ерте диагностикалау үшін, және бұл жерде пионер болып атомдық күшті микроскопия принципін әзірлеуге және AFM құруға үлес қосқан сол Кристофер Гербер табылады.
Осылайша, Гербер AFM-ге меланомадағы рибонуклеин қышқылының нүктелік мутациясын анықтауға үйрете алды (биопсия нәтижесінде алынған материал бойынша). Ол үшін атомдық күштік микроскоптың алтын консольы РНҚ-мен молекула аралық әрекеттесуге түсе алатын олигонуклеотидтермен модификацияланды және пьезоэлектрлік әсердің арқасында бұл әрекеттесу күшін әлі де өлшеуге болады. AFM сенсорының сезімталдығы соншалықты жоғары, ол қазірдің өзінде танымал CRISPR-Cas9 геномын өңдеу әдісінің тиімділігін зерттеу үшін пайдаланылуда. Ол зерттеушілердің әртүрлі буындары жасаған технологияларды біріктіреді.
Саяси теориялардың бірінің классикасын қайталай отырып, біз атомдық күш микроскопиясының шексіз мүмкіндіктері мен сарқылмастығын көріп отырмыз және осы технологиялардың одан әрі дамуына байланысты алда не күтіп тұрғанын елестете алмаймыз деп айта аламыз. Бірақ бүгінгі күні сканерлеуші туннельдік микроскоп пен атомдық күшті микроскоп бізге атомдарды көруге және оларға қол тигізуге мүмкіндік береді. Бұл атомдар мен молекулалардың микрокосмасына қарауға мүмкіндік беретін көзіміздің кеңейтімі ғана емес, сонымен бірге осы микроәлемге қол тигізіп, оны басқара алатын жаңа көздер, жаңа саусақтар деп айта аламыз.
