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 табысқа тоқтаған жоқ - алған жылы Нобель сыйлығыКристофер Гербер және Келвин Квайтпен бірге IBM Цюрих зерттеу орталығында ол STM-ге тән кемшіліктерсіз микроәлемді зерттеуге арналған басқа құрылғыда жұмыс істей бастады. Шындығында, сканерлеуші туннельдік микроскоптың көмегімен диэлектрлік беттерді зерттеу мүмкін емес, тек өткізгіштер мен жартылай өткізгіштер ғана болды, ал соңғысын талдау үшін олар мен микроскоптың зондының арасында айтарлықтай сиректеу пайда 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) қосылған 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 дизайны 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 байланыс әдісі консоль мен беттің арасындағы ван-дер-Ваальс әрекеттесуіне негізделген. Байланыссыз режимде жұмыс істегенде, пьезовибратор зонд тербелістерін белгілі бір жиілікте (көбінесе резонанстық) қоздырады. Беткейден әсер ететін күш зонд тербелістерінің амплитудасы да, фазасы да өзгеретініне әкеледі. Байланыссыз әдістің кейбір кемшіліктеріне қарамастан (бірінші кезекте сыртқы шуға сезімталдық), дәл осы әдіс зондтың зерттелетін объектіге әсерін жоққа шығарады, яғни химиктер үшін қызықтырақ.
Зондтарда тірі, байланыстарды қуып
Атомдық күш микроскопиясы 1998 жылы Биннигтің шәкірті Франц Йозеф Гиссиблдің жұмысының арқасында контактісіз 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 байланыстың ұзындығы мен тәртібін - химиялық құрылымды, демек, заттардың қасиеттерін түсінудің негізгі параметрлерін өлшеу үшін 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 көміртек-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. Осындай белгісіздік теориялық тұрғыдан 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 С6 циклінің айналасында симметриялы орналасқан тағы алты C6 циклі гексабензокоронандағы химиялық байланыстың ерекшеліктерін зерттеу кванттық химиялық модельдеу нәтижелерін растады, оған сәйкес рет C-C қосылымдарыорталық сақина (4-суретте хат 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. Дегенмен, 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 күшті 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 Осака университетінің инженерлік мектебінде Оскар Кустанц тобынан алынды. 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 ұйғарды. 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 айтады және эксперимент нәтижелерін мұқият түсіндіру керек ( 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 мольдерінің 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 әрекеттесе 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.
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
Бұл фотода сіз электронның атом айналасындағы орбиталарының бірінші тікелей бейнесін - шын мәнінде атомның толқындық функциясын қарап отырсыз!
Сутегі атомының орбиталық құрылымының фотосуретін түсіру үшін зерттеушілер ең соңғы кванттық микроскопты, ғалымдарға кванттық физика саласымен танысуға мүмкіндік беретін керемет құрылғыны пайдаланды.
Атомдағы кеңістіктің орбиталық құрылымын электрон алып жатыр. Бірақ материяның осы микроскопиялық қасиеттерін сипаттау кезінде ғалымдар толқындық функцияларға, бөлшектердің кванттық күйлерін сипаттаудың математикалық әдістеріне, атап айтқанда, олардың кеңістік пен уақытта қалай әрекет ететініне сүйенеді.
Әдетте, Шредингер теңдеуі сияқты формулалар бөлшектердің күйлерін сипаттау үшін кванттық физикада қолданылады.
Зерттеушілердің жолындағы кедергілер
Осы уақытқа дейін ғалымдар ешқашан толқындық функцияны нақты бақылаған емес. Жалғыз электронның нақты орнын немесе импульсін түсіруге тырысу шыбындар тобын ұстаумен бірдей болды. Тікелей бақылаулар өте жағымсыз құбылыс – кванттық когеренттілікпен бұрмаланды.
Барлық кванттық күйлерді өлшеу үшін уақыт өте келе бөлшектердің күйлерінің көптеген өлшемдерін қабылдай алатын құрал қажет.
Бірақ кванттық бөлшектің микроскопиялық күйін қалай арттыруға болады? Жауапты халықаралық зерттеушілер тобы тапты. Кванттық микроскоппен атомдық құрылымдарды тікелей бақылау үшін фотоионизацияны қолданатын құрылғы.
Нидерландыдағы Молекулярлық физика институтындағы (AMOLF) Анета Стодолна танымал Physical Review Letters журналындағы мақаласында ол және оның командасы статикалық электр өрісінде орналасқан сутегі атомының түйіндік электронды орбиталық құрылымдарын қалай алғанын сипаттайды.
Жұмыс әдісі
Лазерлік импульстармен сәулелендіруден кейін иондалған электрондар өз орбиталарынан шығып, өлшенген траектория бойынша 2D детекторға түседі (қос микроарна пластина. Детектор өрістің өзіне перпендикуляр орналасқан). Электрондар детектормен соқтығысқанға дейін қозғала алатын көптеген траекториялар бар. Бұл зерттеушілерге толқындық функцияның түйіндік құрылымын көрсететін интерференциялық үлгілер, модельдер жиынтығын береді.
Зерттеушілер электрондардың шығатын толқынын 20 000 еседен астам үлкейтетін электростатикалық линзаны пайдаланды.
Электрондық бұлттарды басып алатын сутегі атомы. Қазіргі физиктер тіпті үдеткіштердің көмегімен протонның пішінін анықтай алса да, сутегі атомы, шамасы, суретін фотосурет деп атауға болатын ең кішкентай нысан болып қала береді. «Lenta.ru» микроәлемді суретке түсірудің заманауи әдістеріне шолуды ұсынады.
Дәлірек айтқанда, бұл күндері қарапайым фотосуреттер қалмады. Біз әдетте фотосуреттер деп атайтын және мысалы, кез келген Lenta.ru фото эссесінде табуға болатын суреттер шын мәнінде компьютерлік модельдер болып табылады. Арнайы құрылғыдағы жарық сезгіш матрица (дәстүрлі ол әлі күнге дейін «камера» деп аталады) бірнеше түрлі спектрлік диапазондарда жарық қарқындылығының кеңістікте таралуын анықтайды, басқару электроникасы бұл деректерді цифрлық түрде сақтайды, содан кейін басқа электрондық схема негізінде осы деректер бойынша сұйық кристалды дисплейдегі транзисторларға команда береді. Пленка, қағаз, оларды өңдеуге арналған арнайы шешімдер - мұның бәрі экзотикалық болды. Егер сөздің тура мағынасын еске түсірсек, онда фотосурет «жеңіл кескіндеме» болып табылады. Сонымен, ғалымдар табысқа жетті деп не айтуға болады суретке түсіруатом, шарттылықтың жеткілікті мөлшерімен ғана мүмкін.
Барлық астрономиялық суреттердің жартысынан көбі бұрыннан инфрақызыл, ультракүлгін және рентгендік телескоптармен түсірілген. Электрондық микроскоптар жарықпен емес, электронды сәулемен сәулелендіреді, ал атомдық күшті микроскоптар үлгінің бедерін инемен сканерлейді. Рентгендік микроскоптар мен магнитті-резонансты бейнелеу сканерлері бар. Бұл құрылғылардың барлығы бізге әртүрлі объектілердің нақты кескіндерін береді және бұл жерде, әрине, «жеңіл кескіндеме» туралы айтудың қажеті жоқ екеніне қарамастан, біз әлі де мұндай кескіндерді фотосуреттер деп атауға мүмкіндік береміз.
Физиктердің протонның пішінін немесе бөлшектердің ішіндегі кварктардың таралуын анықтауға арналған эксперименттері сахна артында қалады; біздің тарихымыз атомдар ауқымымен шектеледі.
Оптика ешқашан ескірмейді
20 ғасырдың екінші жартысында белгілі болғандай, оптикалық микроскоптардың әлі де дамытатын орындары бар. Биологиялық және медициналық зерттеулердегі шешуші сәт флуоресцентті бояғыштардың және белгілі бір заттарды таңдап таңбалауға мүмкіндік беретін әдістердің пайда болуы болды. Бұл «жаңа бояу» емес, нағыз революция болды.
Жалпы қате түсінікке қарамастан, флуоресценция қараңғыда жарқырау емес (соңғысын люминесценция деп атайды). Бұл белгілі бір энергияның кванттарын жұту құбылысы (айталық, көгілдір жарық) кейіннен төмен энергияның басқа кванттары және сәйкесінше басқа жарық (көк жұтылған кезде жасыл шығады). Егер сіз бояғыш шығаратын кванттардың ғана өтуіне мүмкіндік беретін және флуоресценцияны тудыратын жарықты блоктайтын сүзгіні салсаңыз, бояғыштардың ашық дақтары бар күңгірт фонды көруге болады, ал бояғыштар, өз кезегінде, үлгіні өте таңдамалы түрде бояй алады. .
Мысалы, цитоскелетті бояуға болады жүйке жасушасықызыл түсте, синапстар жасыл түсте, ядро көк түсте. Белгілі бір жағдайларда мембранадағы ақуыз рецепторларын немесе жасуша синтездеген молекулаларды анықтауға мүмкіндік беретін флуоресцентті жапсырма жасауға болады. Иммуногистохимиялық бояу әдісі биология ғылымында төңкеріс жасады. Ал гендік инженерлер флуоресцентті ақуыздармен трансгенді жануарларды қалай жасау керектігін білгенде, бұл әдіс қайта туды: мысалы, әртүрлі түстерге боялған нейрондары бар тышқандар шындыққа айналды.
Сонымен қатар, инженерлер конфокальды микроскопия деп аталатын әдісті ойлап тапты (және тәжірибеден өтті). Оның мәні мынада: микроскоп өте жұқа қабатқа фокусталады, ал арнайы диафрагма осы қабаттан тыс заттар жасаған жарықты кесіп тастайды. Мұндай микроскоп үлгіні жоғарыдан төмен қарай дәйекті түрде сканерлей алады және үш өлшемді модель үшін дайын негіз болып табылатын кескіндер дестесін ала алады.
Лазерлерді және оптикалық сәулені басқарудың күрделі жүйелерін пайдалану бояғыштардың өшуі және нәзік биологиялық үлгілердің жарқын жарық астында кептіру мәселесін шешуге мүмкіндік берді: лазер сәулесі үлгіні суретке түсіру үшін қажет болғанда ғана сканерлейді. Үлкен препаратты тар көру өрісі бар окуляр арқылы тексеруге уақыт пен күш жұмсамау үшін инженерлер автоматты сканерлеу жүйесін ұсынды: заманауи микроскоптың объектілік сатысына үлгісі бар стақан қоюға болады, және құрылғы бүкіл үлгінің кең ауқымды панорамасын дербес түсіреді. Сонымен қатар, дұрыс жерлерде ол назар аударады, содан кейін көптеген жақтауларды желімдейді.
Кейбір микроскоптар тірі тышқандарды, егеуқұйрықтарды немесе кем дегенде кішкентай омыртқасыздарды орналастыра алады. Басқалары аздап жоғарылайды, бірақ рентген аппаратымен біріктіріледі. Діріл кедергілерін жою үшін көпшілігі мұқият бақыланатын микроклиматы бар үй-жайда салмағы бірнеше тонна болатын арнайы үстелдерге орнатылады. Мұндай жүйелердің құны басқа электронды микроскоптардың құнынан асып түседі және ең әдемі кадрға арналған конкурстар бұрыннан дәстүрге айналған. Сонымен қатар, оптиканы жетілдіру жалғасуда: әйнектің ең жақсы түрлерін іздеуден және оңтайлы линзалар комбинацияларын таңдаудан инженерлер жарықты фокустау әдістеріне көшті.
Біз биологиялық зерттеулердегі прогресс басқа салалардағы прогреспен бұрыннан байланысты екенін көрсету үшін бірқатар техникалық мәліметтерді атап өттік. Бірнеше жүздеген фотосуреттердегі боялған жасушалардың санын автоматты түрде санайтын компьютерлер болмаса, супермикроскоптардың пайдасы шамалы болар еді. Ал флуоресцентті бояғыштарсыз барлық миллиондаған жасушалар бір-бірінен ерекшеленбейді, сондықтан жаңаларының пайда болуын немесе ескілерінің өлуін қадағалау мүмкін емес еді.
Шын мәнінде, бірінші микроскоп оған бекітілген сфералық линзасы бар қысқыш болды. Мұндай микроскоптың аналогы тесігі және су тамшысы бар қарапайым ойын картасы болуы мүмкін. Кейбір мәліметтерге сәйкес, мұндай құрылғыларды Колымадағы алтын өндірушілер өткен ғасырда қолданған.
Дифракция шегінен тыс
Оптикалық микроскоптардың негізгі кемшілігі бар. Толқын ұзындығынан әлдеқайда аз болып шыққан заттардың пішінін жарық толқындарының пішінінен қалпына келтіру мүмкін емес: материалдың жұқа құрылымын қолмен тексеруге тырысуға болады. дәнекерлеуге арналған қалың қолғап.
Физика заңдарын бұзбай, дифракциядан туындаған шектеулер ішінара еңсерілді. Оптикалық микроскоптардың дифракциялық тосқауылдың астына түсуіне екі жағдай көмектеседі: флуоресценция кезінде кванттардың жеке бояғыш молекулалары (олар бір-бірінен біршама алшақ болуы мүмкін) шығаратындығы және жарық толқындарын қабаттастыру арқылы жарықты алуға болатындығы. диаметрі толқын ұзындығынан кіші нүкте.
Бір-біріне салынған кезде жарық толқындары бірін-бірі жоққа шығаруға қабілетті, сондықтан үлгінің жарықтандыру параметрлері мүмкін болатын ең аз аймақ жарқын аймаққа түсетіндей болады. Мысалы, елестерді жоя алатын математикалық алгоритмдермен біріктірілген мұндай бағытталған жарықтандыру кескін сапасын күрт жақсартуды қамтамасыз етеді. Мысалы, жасушаішілік құрылымдарды оптикалық микроскоппен зерттеу және тіпті (сипатталған әдісті конфокальды микроскопиямен біріктіру арқылы) олардың үш өлшемді кескіндерін алу мүмкін болады.
Электрондық микроскоп электронды аспаптар алдында
Атомдар мен молекулаларды ашу үшін ғалымдар оларға қараудың қажеті жоқ - молекулалық теория объектіні көрудің қажеті жоқ. Бірақ микробиология микроскопты ойлап тапқаннан кейін ғана мүмкін болды. Сондықтан, бастапқыда микроскоптар медицина және биологиямен дәл байланысты болды: физиктер мен химиктер, олар басқа құралдармен басқарылатын айтарлықтай кішірек объектілерді зерттеді. Олар сондай-ақ микроәлемді қарастырғысы келгенде, дифракциялық шектеулер маңызды мәселе болды, әсіресе жоғарыда сипатталған флуоресцентті микроскопия әдістері әлі белгісіз болғандықтан. Егер қарастырылатын нысан одан да аз болса, рұқсатты 500-ден 100 нанометрге дейін арттырудың мағынасы жоқ!
Электрондардың толқын ретінде де, бөлшек ретінде де әрекет ете алатынын біле отырып, Германия физиктері 1926 жылы электронды линзаны жасады. Оның негізінде жатқан идея өте қарапайым және кез келген мектеп оқушысына түсінікті болды: электромагниттік өріс электрондарды итермелейтіндіктен, оның көмегімен сіз осы бөлшектердің сәулесінің пішінін өзгерте аласыз, оларды сүйрей аласыз. әртүрлі жақтары, немесе, керісінше, сәуленің диаметрін азайтыңыз. Бес жылдан кейін, 1931 жылы Эрнст Руска мен Макс Нолл әлемдегі алғашқы электронды микроскопты құрастырды. Құрылғыда үлгі алдымен электронды сәулемен жарықтандырылды, содан кейін электронды линза арнайы люминесцентті экранға түскенге дейін өткен сәулені кеңейтті. Бірінші микроскоп небәрі 400 есе үлкейтуді берді, бірақ жарықты электрондармен ауыстыру жүздеген мың есе үлкейту арқылы суретке түсіруге жол ашты: конструкторларға тек бірнеше техникалық кедергілерді еңсеру керек болды.
Электрондық микроскоп жасушалардың құрылымын бұрын қол жетімсіз сапада зерттеуге мүмкіндік берді. Бірақ бұл суреттен жасушалардың жасын және оларда белгілі бір ақуыздардың болуын түсіну мүмкін емес және бұл ақпарат ғалымдар үшін өте қажет.
Электрондық микроскоптар енді вирустарды жақыннан түсіруге мүмкіндік береді. Жіңішке кесінділер арқылы жарқырап қана қоймай, оларды «шағылған жарықта» (әрине, шағылған электрондарда) қарастыруға мүмкіндік беретін құрылғылардың әртүрлі модификациялары бар. Біз микроскоптардың барлық нұсқалары туралы егжей-тегжейлі сөйлеспейміз, бірақ біз жақында зерттеушілер дифракциялық үлгіден кескінді қалпына келтіруді үйренгенін атап өтеміз.
Түртіңіз, көрмеңіз
Тағы бір төңкеріс «жарық ет және көр» принципінен одан әрі ауытқу есебінен болды. Атомдық күш микроскобы, сондай-ақ сканерлеуші туннельдік микроскоп үлгілердің бетінде енді жарқырамайды. Оның орнына, әсіресе жіңішке ине бет бойымен қозғалады, ол тіпті бір атомның өлшеміндегі соққыларда да секіреді.
Осындай әдістердің барлығын егжей-тегжейлі қарастырмай-ақ, біз ең бастысын атап өтеміз: туннельдік микроскоптың инесін бет бойымен жылжытып қана қоймай, атомдарды бір жерден екінші жерге қайта орналастыру үшін де қолдануға болады. Ғалымдар осылайша сызылған бала атоммен ойнайтын жазуларды, сызбаларды және тіпті мультфильмдерді жасайды. Сканерлеуші туннельдік микроскоптың ұшымен сүйретілген нағыз ксенон атомы.
Ол туннельдік микроскоп деп аталады, себебі ол ине арқылы өтетін туннельдік токтың әсерін пайдаланады: болжанған әсерге байланысты электрондар ине мен бет арасындағы саңылау арқылы өтеді. кванттық механикатуннель әсері. Бұл құрылғы жұмыс істеу үшін вакуумды қажет етеді.
Атомдық күш микроскопы (AFM) қоршаған орта жағдайларына әлдеқайда аз талап етеді - ол (бірқатар шектеулермен) ауа сорусыз жұмыс істей алады. Белгілі бір мағынада AFM грамофонның нанотехнологиялық мұрагері болып табылады. Жіңішке және икемді консольдық кронштейнге орнатылған ине ( консольжәне «кронштейн» бар), оған кернеу бермей бет бойымен қозғалады және граммафон инесі грампластинканың ойықтары бойымен жүретіндей үлгінің рельефімен жүреді. Консольдің иілуі оған бекітілген айнаның ауытқуына әкеледі, айна лазер сәулесін бұрады және бұл зерттелетін үлгінің пішінін өте дәл анықтауға мүмкіндік береді. Ең бастысы - инені жылжытудың жеткілікті дәл жүйесі, сондай-ақ өте өткір болуы керек инелердің жеткізілімі. Мұндай инелердің ұштарындағы қисықтық радиусы бір нанометрден аспауы мүмкін.
AFM жеке атомдар мен молекулаларды көруге мүмкіндік береді, бірақ туннельдік микроскоп сияқты үлгі бетінің астына қарауға мүмкіндік бермейді. Басқаша айтқанда, ғалымдар атомдарды көре алу немесе бүкіл нысанды зерттей алу арасында таңдау жасауы керек. Дегенмен, тіпті оптикалық микроскоптар үшін де зерттелетін үлгілердің ішкі жағы әрқашан қол жетімді емес, өйткені минералдар немесе металдар әдетте жарықты нашар өткізеді. Сонымен қатар, атомдарды суретке түсіруде әлі де қиындықтар бар - бұл нысандар қарапайым шарлар сияқты көрінеді, электронды бұлттардың пішіні мұндай суреттерде көрінбейді.
Үдеткіштермен дисперсті зарядталған бөлшектердің тежелуі кезінде пайда болатын синхротрондық сәулелену тарихқа дейінгі жануарлардың тасталған қалдықтарын зерттеуге мүмкіндік береді. Рентген сәулелерінің астында үлгіні айналдыра отырып, біз үш өлшемді томограммаларды ала аламыз - мысалы, 300 миллион жыл бұрын жойылып кеткен балықтың бас сүйегінің ішінен ми табылды. Егер таралатын сәулеленуді тіркеу дифракцияның әсерінен шашыраңқы рентген сәулелерін бекіту арқылы болса, сіз айналусыз жасай аласыз.
Бұл рентген сәулелері ашатын барлық мүмкіндіктер емес. Онымен сәулелендіру кезінде көптеген материалдар флуоресценцияланады және заттың химиялық құрамын флуоресценцияның сипаты бойынша анықтауға болады: осылайша ғалымдар ежелгі артефактілерді, орта ғасырларда өшірілген Архимед туындыларын немесе қауырсындардың түсін бояйды. бұрыннан жойылып кеткен құстар.
Позициялық атомдар
Рентгендік немесе оптикалық флуоресценция әдістерімен қамтамасыз етілген барлық мүмкіндіктер аясында жеке атомдарды суретке түсірудің жаңа әдісі енді ғылымдағы мұндай үлкен серпіліс болып көрінбейді. Осы аптада ұсынылған суреттерді алуға мүмкіндік берген әдістің мәні келесідей: электрондар иондалған атомдардан жұлып алынады және арнайы детекторға жіберіледі. Әрбір иондану актісі электронды белгілі бір позициядан алып тастап, «фотоға» бір нүкте береді. Бірнеше мың осындай нүктелерді жинай отырып, ғалымдар атом ядросының айналасында электронды табудың ең ықтимал жерлерін көрсететін суретті қалыптастырды және бұл анықтама бойынша электронды бұлт.
Қорытындылай келе, жеке атомдарды өздерінің электронды бұлттарымен көру мүмкіндігі қазіргі микроскопияның тортындағы шие сияқты делік. Ғалымдар үшін материалдардың құрылымын зерттеу, жасушалар мен кристалдарды зерттеу маңызды болды және осыдан туындайтын технологиялардың дамуы сутегі атомына жетуге мүмкіндік берді. Кез келген кем нәрсе элементар бөлшектер физикасы мамандарының қызығушылық саласы болып табылады. Ал биологтар, материалтанушылар және геологтар әлі де микроскоптарды атомдармен салыстырғанда өте қарапайым үлкейтумен жақсартуға мүмкіндік береді. Мысалы, нейрофизиология мамандары көптен бері тірі мидың ішіндегі жеке жасушаларды көретін құрылғыға ие болғысы келді, ал роверлерді жасаушылар өздерінің жанын ғарыш кемесінің бортына сыйып, Марста жұмыс істей алатын электронды микроскопқа сататын.
Дегенмен, атомның кез келген бөлігін емес, өзін суретке түсіру тіпті ең жоғары технологиялық құрылғылармен де өте қиын жұмыс болып көрінді.
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 қасиетті дәл өлшеу 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.
Голландиядан келген физиктер ғылыми-зерттеу институты AMOLF ешқандай «қайта құруды» қажет етпейтін жаңа әдісті ұсынды және өз жұмысының 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 қозғалысы фосфорлы экранда қараңғы және ашық сақиналар түрінде көрсетілді, ғалымдар оны жоғары ажыратымдылықтағы сандық 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 әдістеме болуы мүмкін екенін айтады практикалық қолдану, мысалы, атомның қалыңдығындай өткізгіштерді жасау, қазіргі заманғы электронды құрылғыларды айтарлықтай жетілдіретін молекулалық сым технологиясын дамыту.
"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.
