Som du vet, består alt materiale i universet av atomer. Et atom er den minste enheten av materie som bærer sine egenskaper. På sin side er strukturen til et atom bygd opp av en magisk treenighet av mikropartikler: protoner, nøytroner og elektroner.
Dessuten er hver av mikropartiklene universelle. Det vil si at du ikke kan finne to forskjellige protoner, nøytroner eller elektroner i verden. Alle av dem er helt like hverandre. Og egenskapene til atomet vil bare avhenge av den kvantitative sammensetningen av disse mikropartiklene i den generelle strukturen til atomet.
For eksempel består strukturen til et hydrogenatom av ett proton og ett elektron. Neste i kompleksitet består heliumatomet av to protoner, to nøytroner og to elektroner. Et litiumatom består av tre protoner, fire nøytroner og tre elektroner osv.
Struktur av atomer (fra venstre til høyre): hydrogen, helium, litium
Atomer kombineres til molekyler, og molekyler kombineres til stoffer, mineraler og organismer. DNA-molekylet, som er grunnlaget for alt liv, er en struktur satt sammen av de samme tre magiske byggesteinene i universet som steinen som ligger på veien. Selv om denne strukturen er mye mer kompleks.
Enda mer fantastiske fakta avsløres når vi prøver å se nærmere på proporsjonene og strukturen til atomsystemet. Det er kjent at et atom består av en kjerne og elektroner som beveger seg rundt den langs en bane som beskriver en kule. Det vil si at det ikke engang kan kalles en bevegelse i ordets vanlige betydning. Elektronet er heller plassert overalt og umiddelbart innenfor denne sfæren, og skaper en elektronsky rundt kjernen og danner et elektromagnetisk felt.
Skjematiske representasjoner av strukturen til atomet
Kjernen til et atom består av protoner og nøytroner, og nesten hele massen av systemet er konsentrert i den. Men samtidig er selve kjernen så liten at hvis du øker radiusen til en skala på 1 cm, vil radiusen til hele atomstrukturen nå hundrevis av meter. Alt som vi oppfatter som tett stoff består altså av mer enn 99 % av energiforbindelsene mellom fysiske partikler alene og mindre enn 1 % av de fysiske formene i seg selv.
Men hva er disse fysiske formene? Hva er de laget av, og hvor materiale er de? For å svare på disse spørsmålene, la oss se nærmere på strukturene til protoner, nøytroner og elektroner. Så vi går ned et skritt til i dypet av mikrokosmos - til nivået av subatomære partikler.
Hva er et elektron laget av?
Den minste partikkelen i et atom er et elektron. Et elektron har masse, men ikke noe volum. I det vitenskapelige synet består ikke elektronet av noe, men er et strukturløst punkt.
Et elektron kan ikke sees under et mikroskop. Det observeres bare i form av en elektronsky, som ser ut som en uklar kule rundt atomkjernen. Samtidig er det umulig å si nøyaktig hvor elektronet befinner seg på et tidspunkt. Enheter er i stand til å fange ikke selve partikkelen, men bare dens energispor. Essensen av elektronet er ikke innebygd i begrepet materie. Det er snarere som en tom form som bare eksisterer i og gjennom bevegelse.
Det er ennå ikke funnet noen struktur i elektronet. Det er den samme punktpartikkelen som energikvantumet. Faktisk er et elektron energi, men dette er dens mer stabile form enn den som er representert av lysfotoner.
For øyeblikket anses elektronet som udelelig. Dette er forståelig, fordi det er umulig å dele noe som ikke har volum. Imidlertid er det allerede utviklinger i teorien, ifølge hvilken sammensetningen av et elektron inneholder en treenighet av slike kvasipartikler som:
- Orbiton - inneholder informasjon om baneposisjonen til elektronet;
- Spinon - ansvarlig for spinn eller dreiemoment;
- Holon - bærer informasjon om ladningen til et elektron.
Men, som vi ser, har kvasipartikler absolutt ingenting til felles med materie, og bærer bare informasjon.
Fotografier av atomer av forskjellige stoffer i et elektronmikroskop
Interessant nok kan et elektron absorbere energikvanter, for eksempel lys eller varme. I dette tilfellet beveger atomet seg til et nytt energinivå, og grensene til elektronskyen utvider seg. Det hender også at energien som absorberes av et elektron er så stor at den kan hoppe ut av atomsystemet og fortsette sin bevegelse som en uavhengig partikkel. Samtidig oppfører det seg som et foton av lys, det vil si at det ser ut til å slutte å være en partikkel og begynner å vise egenskapene til en bølge. Dette er bevist i et eksperiment.
Youngs eksperiment
I løpet av eksperimentet ble en strøm av elektroner rettet mot en skjerm med to spalter skåret inn i den. Ved å passere gjennom disse spaltene kolliderte elektronene med overflaten på en annen projeksjonsskjerm, og etterlot sitt preg på den. Som et resultat av dette "bombardementet" av elektroner, dukket det opp et interferensmønster på projeksjonsskjermen, lik det som ville vises hvis bølger, men ikke partikler, passerte gjennom to spalter.
Et slikt mønster oppstår på grunn av det faktum at bølgen, som passerer mellom de to sporene, er delt inn i to bølger. Som et resultat av ytterligere bevegelse overlapper bølgene hverandre, og i noen områder opphever de hverandre. Som et resultat får vi mange striper på projeksjonsskjermen, i stedet for én, slik det ville vært hvis elektronet oppførte seg som en partikkel.
Strukturen til kjernen til et atom: protoner og nøytroner
Protoner og nøytroner utgjør kjernen til et atom. Og til tross for at kjernen i det totale volumet opptar mindre enn 1%, er det i denne strukturen at nesten hele systemets masse er konsentrert. Men på bekostning av strukturen til protoner og nøytroner er fysikere delte i meninger, og for øyeblikket er det to teorier samtidig.
- Teori #1 - Standard
Standardmodellen sier at protoner og nøytroner består av tre kvarker forbundet med en sky av gluoner. Kvarker er punktpartikler, akkurat som kvanter og elektroner. Og gluoner er virtuelle partikler som sikrer samspillet mellom kvarker. Imidlertid er verken kvarker eller gluoner funnet i naturen, så denne modellen er gjenstand for alvorlig kritikk.
- Teori #2 - Alternativ
Men ifølge den alternative enhetsfeltteorien utviklet av Einstein, er protonet, som nøytronet, som enhver annen partikkel i den fysiske verden, et elektromagnetisk felt som roterer med lysets hastighet.
Elektromagnetiske felt av mennesket og planeten
Hva er prinsippene for strukturen til atomet?
Alt i verden - subtilt og tett, flytende, fast og gassformet - er bare energitilstandene til utallige felt som gjennomsyrer universets rom. Jo høyere energinivå i feltet, jo tynnere og mindre merkbart er det. Jo lavere energinivå, jo mer stabilt og håndgripelig er det. I strukturen til atomet, så vel som i strukturen til enhver annen enhet i universet, ligger samspillet mellom slike felt - forskjellige i energitetthet. Det viser seg at materie bare er en illusjon av sinnet.
Et atom (fra gresk «udelelig») er en gang den minste partikkelen av materie med mikroskopiske dimensjoner, den minste delen av et kjemisk grunnstoff som bærer dets egenskaper. Atomets bestanddeler - protoner, nøytroner, elektroner - har ikke lenger disse egenskapene og danner dem sammen. Kovalente atomer danner molekyler. Forskere studerer egenskapene til atomet, og selv om de allerede er ganske godt studert, går de ikke glipp av muligheten til å finne noe nytt - spesielt innen feltet for å lage nye materialer og nye atomer (fortsetter det periodiske systemet). 99,9 % av massen til et atom er i kjernen.
Ikke la deg skremme av tittelen. Det sorte hullet, skapt ved et uhell av ansatte ved National Accelerator Laboratory SLAC, viste seg å være bare ett atom stort, så ingenting truer oss. Og navnet "svart hull" beskriver bare eksternt fenomenet observert av forskere. Vi har gjentatte ganger fortalt deg om den kraftigste røntgenlaseren i verden, kalt
Å fotografere selve atomet, og ikke noen del av det, var imidlertid en ekstremt vanskelig oppgave, selv med de mest høyteknologiske enhetene.
Faktum er at i henhold til kvantemekanikkens lover er det umulig å bestemme alle egenskapene til en subatomær partikkel like nøyaktig. Denne delen av teoretisk fysikk er bygget på Heisenberg-usikkerhetsprinsippet, som sier at det er umulig å måle koordinatene og momentumet til en partikkel med samme nøyaktighet - nøyaktige målinger av en egenskap vil helt sikkert endre data om den andre.
Derfor, i stedet for å bestemme plasseringen (partikkelkoordinater), foreslår kvanteteorien å måle den såkalte bølgefunksjonen.
Bølgefunksjonen fungerer omtrent på samme måte som en lydbølge. Den eneste forskjellen er at den matematiske beskrivelsen av en lydbølge bestemmer bevegelsen av molekyler i luften på et bestemt sted, og bølgefunksjonen beskriver sannsynligheten for at en partikkel dukker opp et eller annet sted i henhold til Schrödinger-ligningen.
Å måle bølgefunksjonen er heller ikke lett (direkte observasjoner får den til å kollapse), men teoretiske fysikere kan grovt forutsi verdiene.
Det er mulig å eksperimentelt måle alle parametrene til bølgefunksjonen bare hvis den er samlet fra separate destruktive målinger utført på helt identiske systemer av atomer eller molekyler.
Fysikere fra nederlandsk forskningsinstitutt AMOLF presenterte en ny metode som ikke krever noen «rebuilds» og publiserte resultatene av arbeidet deres i tidsskriftet Physical Review Letters. Metodikken deres er basert på en hypotese fra 1981 av tre sovjetiske teoretiske fysikere, så vel som på nyere forskning.
Under eksperimentet rettet forskerteamet to laserstråler mot hydrogenatomer plassert i et spesielt kammer. Som et resultat av et slikt støt forlot elektronene sine baner med den hastigheten og i retningen som ble bestemt av bølgefunksjonene deres. Et sterkt elektrisk felt i kammeret, hvor hydrogenatomene var lokalisert, sendte elektroner til visse deler av den plane (flate) detektoren.
Posisjonen til elektronene som traff detektoren ble bestemt av deres starthastighet, ikke av deres posisjon i kammeret. Dermed fortalte fordelingen av elektroner på detektoren forskerne om bølgefunksjonen til disse partiklene, som de hadde da de forlot banen rundt kjernen til hydrogenatomet.
Bevegelsene til elektronene ble vist på en fosforescerende skjerm i form av mørke og lyse ringer, som forskerne fotograferte med et høyoppløselig digitalkamera.
"Vi er veldig fornøyd med resultatene våre. Kvantemekanikk har så lite med folks daglige liv å gjøre at knapt noen ville ha tenkt på å få et ekte fotografi av kvanteinteraksjoner i atomet, sier Aneta Stodolna, hovedforfatter av studien. Hun argumenterer også for at den utviklede teknikken kan ha praktisk bruk, for eksempel for å lage ledere så tykke som et atom, utviklingen av molekylær ledningsteknologi, som vil forbedre moderne elektroniske enheter betydelig.
"Det er bemerkelsesverdig at eksperimentet ble utført på hydrogen, som er både det enkleste og vanligste stoffet i universet vårt. Det vil være nødvendig å forstå om denne teknikken kan brukes på mer komplekse atomer. Hvis ja, så er dette en stort gjennombrudd som vil tillate oss å utvikle ikke bare elektronikk, men også nanoteknologi, sier Jeff Lundeen fra University of Ottawa, som ikke var involvert i studien.
Forskerne selv som utførte eksperimentet tenker imidlertid ikke på den praktiske siden av saken. De mener at oppdagelsen deres først og fremst er knyttet til grunnleggende vitenskap, som vil bidra til å overføre mer kunnskap til fremtidige generasjoner av fysikere.
Fysikere fra USA klarte å fange individuelle atomer på et bilde med rekordoppløsning, melder Day.Az med henvisning til Vesti.ru
Forskere fra Cornell University i USA klarte å fange individuelle atomer på et bilde med en rekordoppløsning på mindre enn en halv ångstrøm (0,39 Å). Tidligere fotografier hadde halve oppløsningen - 0,98 Å.
Kraftige elektronmikroskoper som kan se atomer har eksistert i et halvt århundre, men oppløsningen deres er begrenset av den lange bølgelengden til synlig lys, som er større enn diameteren til et gjennomsnittlig atom.
Derfor bruker forskere en slags analog av linser som fokuserer og forstørrer bildet i elektronmikroskoper - de er et magnetfelt. Svingninger i magnetfeltet forvrenger imidlertid resultatet. For å fjerne forvrengninger brukes ytterligere enheter som korrigerer magnetfeltet, men som samtidig øker kompleksiteten til elektronmikroskopdesignet.
Tidligere utviklet fysikere ved Cornell University Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD) for å erstatte komplekst system generatorer som fokuserer innkommende elektroner med en liten matrise med en oppløsning på 128x128 piksler, følsomme for individuelle elektroner. Hver piksel registrerer vinkelen for elektronrefleksjon; Når de vet det, rekonstruerer forskere som bruker ptyikografi-teknikken egenskapene til elektronene, inkludert koordinatene til punktet der det ble frigjort.
Atomer i høyeste oppløsning
David A. Muller et al. Natur, 2018.
Sommeren 2018 bestemte fysikere seg for å forbedre kvaliteten på de resulterende bildene til en rekordoppløsning til dags dato. Forskere festet et ark med 2D-materiale - molybdensulfid MoS2 - på en bevegelig stråle, og frigjorde elektronstråler ved å dreie strålen i forskjellige vinkler til elektronkilden. Ved hjelp av EMPAD og ptyikografi bestemte forskere avstandene mellom individuelle molybdenatomer og oppnådde et bilde med en rekordoppløsning på 0,39 Å.
"Faktisk har vi skapt den minste linjalen i verden," forklarer Sol Gruner (Sol Gruner), en av forfatterne av eksperimentet. På det resulterende bildet var det mulig å se svovelatomer med en rekordoppløsning på 0,39 Å. Dessuten klarte vi til og med å se stedet hvor et slikt atom mangler (angitt med en pil).
Svovelatomer med rekordoppløsning
Trurl begynte å fange atomer, skrapte elektroner fra dem, elte protoner slik at bare fingrene blinket, forberedte en protondeig, la ut elektroner rundt den og - for neste atom; Det hadde gått mindre enn fem minutter før han holdt en stang av rent gull i hendene: han rakte den til snuten, men hun, etter å ha smakt stangen på tannen og nikket med hodet, sa:
– Og faktisk gull, men jeg kan ikke jage sånne atomer. Jeg er for stor.
- Ingenting, vi skal gi deg et spesielt apparat! Trurl overtalte ham.
Stanislav Lem, Cyberiad
Er det mulig å se et atom med et mikroskop, å skille det fra et annet atom, å følge ødeleggelsen eller dannelsen av en kjemisk binding, og å se hvordan ett molekyl blir til et annet? Ja, hvis det ikke er et enkelt mikroskop, men et atomkraft. Og du kan og ikke være begrenset til observasjon. Vi lever i en tid da atomkraftmikroskopet har sluttet å være bare et vindu inn i mikroverdenen. I dag kan dette instrumentet brukes til å flytte atomer, bryte kjemiske bindinger, studere strekningsgrensen til enkeltmolekyler – og til og med studere det menneskelige genomet.
Bokstaver fra xenonpiksler
Å vurdere atomer har ikke alltid vært så lett. Historien til atomkraftmikroskopet begynte i 1979, da Gerd Karl Binnig og Heinrich Rohrer, som jobbet ved IBM Research Center i Zürich, begynte å lage et instrument som ville tillate å studere overflater med atomoppløsning. For å komme opp med en slik enhet, bestemte forskerne seg for å bruke tunnelovergangseffekten - elektronenes evne til å overvinne tilsynelatende ugjennomtrengelige barrierer. Ideen var å bestemme posisjonen til atomer i prøven ved å måle styrken til tunnelstrømmen som oppstår mellom skanningssonden og overflaten som studeres.
Binnig og Rohrer lyktes, og de gikk ned i historien som oppfinnerne av scanning tunneling microscope (STM), og mottok i 1986 Nobelprisen i fysikk. Det skannede tunnelmikroskopet har gjort en virkelig revolusjon innen fysikk og kjemi.
I 1990 viste Don Eigler og Erhard Schweitzer, som jobbet ved IBM Research Center i California, at STM ikke bare kunne brukes til å observere atomer, men til å manipulere dem. Ved å bruke sonden til et skanningstunnelmikroskop skapte de kanskje det mest populære bildet som symboliserer overgangen til kjemikere til å jobbe med individuelle atomer – de malte tre bokstaver på en nikkeloverflate med 35 xenonatomer (fig. 1).
Binnig hvilte ikke på laurbærene - i mottaksåret Nobel pris med Christopher Gerber og Kelvin Quayt, også ved IBM Zurich Research Center, begynte han arbeidet med en annen enhet for å studere mikroverdenen, blottet for manglene som er iboende i STM. Faktum er at ved hjelp av et skanningstunnelmikroskop var det umulig å studere dielektriske overflater, men bare ledere og halvledere, og for å analysere sistnevnte måtte det opprettes en betydelig sjeldenhet mellom dem og mikroskopsonden. Etter å ha innsett at det var lettere å lage en ny enhet enn å oppgradere en eksisterende, oppfant Binnig, Gerber og Quait atomkraftmikroskopet, eller AFM. Prinsippet for operasjonen er radikalt annerledes: for å få informasjon om overflaten, er det ikke strømstyrken som oppstår mellom mikroskopsonden og prøven som studeres som måles, men verdien av tiltrekningskreftene som oppstår mellom dem, det vil si svake ikke-kjemiske interaksjoner - van der Waals-krefter.
Den første arbeidsmodellen til AFM var relativt enkel. Forskerne flyttet en diamantsonde over overflaten av prøven, koblet til en fleksibel mikromekanisk sensor - en gullfolieutkrager (en tiltrekning oppstår mellom sonden og atomet, utkragingen bøyer seg avhengig av tiltrekningskraften og deformerer det piezoelektriske). Graden av bøyning av utkrageren ble bestemt ved hjelp av piezoelektriske sensorer - på lignende måte blir rillene og kantene på en vinylplate omgjort til et lydopptak. Utformingen av atomkraftmikroskopet tillot det å oppdage attraktive krefter på opptil 10–18 newton. Et år etter opprettelsen av en fungerende prototype, klarte forskerne å få et bilde av grafittoverflatens topografi med en oppløsning på 2,5 ångstrøm.
I de tre tiårene som har gått siden den gang, har AFM blitt brukt til å studere nesten alle kjemiske objekter – fra overflaten av et keramisk materiale til levende celler og individuelle molekyler, både i statisk og dynamisk tilstand. Atomkraftmikroskopi har blitt arbeidshesten til kjemikere og materialvitere, og antallet arbeider som denne metoden brukes i, vokser stadig (fig. 2).
Gjennom årene har forskere valgt betingelser for både kontakt- og ikke-kontaktstudie av objekter ved hjelp av atomkraftmikroskopi. Kontaktmetoden beskrevet ovenfor er basert på van der Waals interaksjon mellom utkrageren og overflaten. Når piezovibratoren opererer i en berøringsfri modus, eksiterer sondesvingningene med en viss frekvens (oftest resonans). Kraften som virker fra overflaten fører til at både amplituden og fasen til sondesvingningene endres. Til tross for noen mangler ved ikke-kontaktmetoden (først av alt, følsomhet for ekstern støy), er det nettopp denne metoden som utelukker effekten av sonden på objektet som studeres, og er derfor mer interessant for kjemikere.
Levende på sonder, jager forbindelser
Atomkraftmikroskopi ble ikke-kontakt i 1998 takket være arbeidet til Binnigs student, Franz Josef Gissible. Det var han som foreslo å bruke en kvartsreferanseoscillator med stabil frekvens som utkrager. Etter 11 år foretok forskere fra IBM-laboratoriet i Zürich en ny modifikasjon av ikke-kontakt AFM: sondesensorens rolle ble ikke utført av en skarp diamantkrystall, men av ett molekyl - karbonmonoksid. Dette gjorde det mulig å gå over til subatomær oppløsning, som demonstrert av Leo Gross fra Zürich-divisjonen til IBM. I 2009, ved hjelp av AFM, synliggjorde han ikke atomer, men kjemiske bindinger, etter å ha oppnådd et ganske klart og utvetydig lesbart "bilde" for pentacenmolekylet (fig. 3; Vitenskap, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Overbevist om at kjemisk binding kunne sees med AFM, bestemte Leo Gross seg for å gå lenger og bruke atomkraftmikroskopet til å måle bindingslengder og -ordener – nøkkelparametere for å forstå den kjemiske strukturen, og derav egenskapene til stoffer.
Husk at forskjellen i bindingsrekkefølge indikerer forskjellige elektrontettheter og forskjellige interatomære avstander mellom to atomer (forenklet sagt er en dobbeltbinding kortere enn en enkeltbinding). I etan er karbon-karbonbindingsrekkefølgen én, i etylen er den to, og i det klassiske aromatiske molekylet, benzen, er karbon-karbonbindingsrekkefølgen større enn én, men mindre enn to, og anses å være 1,5.
Å bestemme bindingsrekkefølgen er mye vanskeligere når man går fra enkle aromatiske systemer til plane eller voluminøse polykondenserte ringsystemer. Dermed kan rekkefølgen av bindinger i fullerener som består av kondenserte fem- og seksleddede karbonsykluser ta en hvilken som helst verdi fra én til to. Den samme usikkerheten gjelder teoretisk for polysykliske aromatiske forbindelser.
I 2012 viste Leo Gross, sammen med Fabian Mohn, at et atomkraftmikroskop med en berøringsfri metallprobe modifisert med karbonmonoksid kan måle forskjeller i fordeling av ladninger mellom atomer og interatomære avstander – det vil si parametere assosiert med bindingsrekkefølge ( Vitenskap, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
For å gjøre dette studerte de to typer kjemiske bindinger i fulleren - en karbon-karbonbinding, felles for to seksleddede karbonholdige sykluser av C 60 fulleren, og en karbon-karbonbinding, felles for fem- og seksleddet sykluser. Et atomkraftmikroskop viste at kondensasjonen av seksleddede ringer resulterer i en binding som er kortere og av høyere orden enn kondensasjonen av C 6 og C 5 sykliske fragmenter. Studiet av funksjonene til kjemisk binding i heksabenzokoronen, der seks flere C6-sykluser er symmetrisk plassert rundt den sentrale C 6-syklusen, bekreftet resultatene av kvantekjemisk modellering, ifølge hvilken bindingsrekkefølgen N-N sentralt ringer (i fig. 4 bokstaven Jeg) må være større enn bindingene som forener denne ringen med perifere sykluser (i fig. 4, bokstaven j). Lignende resultater ble også oppnådd for et mer komplekst polysyklisk aromatisk hydrokarbon inneholdende ni seksleddede ringer.
Bindingsordenene og interatomiske avstander var selvfølgelig av interesse for organiske kjemikere, men det var viktigere for de som var engasjert i teorien om kjemiske bindinger, prediksjon av reaktivitet og studiet av mekanismene for kjemiske reaksjoner. Likevel kom både syntetiske kjemikere og spesialister i studiet av strukturen til naturlige forbindelser for en overraskelse: Det viste seg at atomkraftmikroskopet kan brukes til å etablere strukturen til molekyler på samme måte som NMR- eller IR-spektroskopi. Dessuten gir den et entydig svar på spørsmål som disse metodene ikke er i stand til å takle.
Fra fotografering til kino
I 2010 var de samme Leo Gross og Rainer Ebel i stand til entydig å etablere strukturen til en naturlig forbindelse - cephalandol A, isolert fra en bakterie Dermacoccus abyssi(Naturkjemi, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Sammensetningen av cefalandol A ble tidligere bestemt ved bruk av massespektrometri, men analyse av NMR-spektrene til denne forbindelsen ga ikke et entydig svar på spørsmålet om dens struktur: fire varianter var mulige. Ved hjelp av et atomkraftmikroskop utelukket forskerne umiddelbart to av de fire strukturene, og gjorde det riktige valget av de resterende to ved å sammenligne resultatene oppnådd gjennom AFM og kvantekjemisk modellering. Oppgaven viste seg å være vanskelig: i motsetning til pentacen, fulleren og koronener inneholder cefalandol A ikke bare karbon- og hydrogenatomer, i tillegg har dette molekylet ikke noe symmetriplan (fig. 5) - men dette problemet ble også løst.
Ytterligere bekreftelse på at atomkraftmikroskopet kunne brukes som et analytisk verktøy kom fra gruppen til Oskar Kustanz, da ved Osaka University School of Engineering. Han viste hvordan man ved å bruke AFM skille mellom atomer som skiller seg mye mindre fra hverandre enn karbon og hydrogen ( Natur, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustanz undersøkte overflaten til en legering bestående av silisium, tinn og bly med et kjent innhold av hvert element. Som et resultat av tallrike eksperimenter fant han ut at kraften som oppstår mellom tuppen av AFM-sonden og forskjellige atomer er forskjellig (fig. 6). For eksempel ble den sterkeste interaksjonen observert ved sondering av silisium, og den svakeste interaksjonen ble observert ved sondering av bly.
Det antas at resultatene av atomkraftmikroskopi for gjenkjennelse av individuelle atomer i fremtiden vil bli behandlet på samme måte som resultatene av NMR - ved sammenligning av relative verdier. Siden den nøyaktige sammensetningen av sensornålen er vanskelig å kontrollere, avhenger den absolutte verdien av kraften mellom sensoren og forskjellige overflateatomer av de eksperimentelle forholdene og enhetens merke, men forholdet mellom disse kreftene for enhver sammensetning og form av sensoren forblir konstant for hvert kjemisk element.
I 2013 dukket de første eksemplene på bruk av AFM for å få bilder av individuelle molekyler før og etter kjemiske reaksjoner: et "fotosett" lages fra produktene og mellomproduktene fra reaksjonen, som deretter kan monteres i en slags dokumentarfilm ( Vitenskap, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Felix Fisher og Michael Crommie fra University of California i Berkeley brukte sølv på overflaten 1,2-bis[(2-etynylfenyl)etynyl]benzen, avbildet molekylene og varmet opp overflaten for å starte cyklisering. Halvparten av de opprinnelige molekylene ble til polysykliske aromatiske strukturer, bestående av smeltede fem seksleddede og to femleddede ringer. En annen fjerdedel av molekylene dannet strukturer bestående av fire seks-leddede sykluser koblet gjennom en fireleddet syklus og to femleddede sykluser (fig. 7). De resterende produktene var oligomere strukturer og, i en ubetydelig mengde, polysykliske isomerer.
Disse resultatene overrasket to ganger forskerne. For det første ble det kun dannet to hovedprodukter under reaksjonen. For det andre forårsaket strukturen deres overraskelse. Fisher bemerker at kjemisk intuisjon og erfaring gjorde det mulig å tegne dusinvis av mulige reaksjonsprodukter, men ingen av dem tilsvarte forbindelsene som ble dannet på overflaten. Det er mulig at interaksjonen mellom de opprinnelige stoffene og substratet bidro til forekomsten av atypiske kjemiske prosesser.
Naturligvis, etter de første seriøse suksessene i studiet av kjemiske bindinger, bestemte noen forskere seg for å bruke AFM for å observere svakere og mindre studerte intermolekylære interaksjoner, spesielt hydrogenbinding. Arbeidet på dette området har imidlertid bare begynt, og resultatene deres er motstridende. Så i noen publikasjoner er det rapportert at atomkraftmikroskopi gjorde det mulig å observere hydrogenbindingen ( Vitenskap. Fysiske gjennomgangsbrev, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). Kanskje vil det endelige svaret på spørsmålet om det er mulig å observere hydrogen og andre intermolekylære interaksjoner ved hjelp av atomkraftmikroskopi fås allerede i dette tiåret. For å gjøre dette er det nødvendig å øke AFM-oppløsningen minst flere ganger og lære hvordan du får bilder uten støy ( Fysisk gjennomgang B, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).
Syntese av ett molekyl
I dyktige hender forvandles både STM og AFM fra instrumenter som er i stand til å studere materie til instrumenter som er i stand til å endre strukturen til materie retningsbestemt. Ved hjelp av disse enhetene har det allerede vært mulig å skaffe "de minste kjemiske laboratorier", der et substrat brukes i stedet for en kolbe, og individuelle molekyler brukes i stedet for mol eller millimol reaktanter.
For eksempel, i 2016 brukte et internasjonalt team av forskere ledet av Takashi Kumagai ikke-kontakt atomkraftmikroskopi for å overføre porfycenmolekylet fra en av dens former til en annen ( Naturkjemi, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porfycen kan betraktes som en modifikasjon av porfyrin, hvis indre syklus inneholder fire nitrogenatomer og to hydrogenatomer. Vibrasjonene til AFM-sonden overførte nok energi til porfycenmolekylet til å overføre disse hydrogenene fra ett nitrogenatom til et annet, og som et resultat ble det oppnådd et "speilbilde" av dette molekylet (fig. 8).
Gruppen ledet av den utrettelige Leo Gross viste også at det var mulig å sette i gang reaksjonen til et enkelt molekyl - de gjorde dibromantracen til en ti-leddet syklisk diyn (fig. 9; Naturkjemi, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). I motsetning til Kumagai et al., brukte de et skanningstunnelmikroskop for å aktivere molekylet, og resultatet av reaksjonen ble overvåket ved hjelp av et atomkraftmikroskop.
Den kombinerte bruken av et skanningstunnelmikroskop og et atomkraftmikroskop gjorde det til og med mulig å oppnå et molekyl som ikke kan syntetiseres ved bruk av klassiske teknikker og metoder ( Natur nanoteknologi, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Denne triangulenen er en ustabil aromatisk diradikal, hvis eksistens ble spådd for seks tiår siden, men alle forsøk på syntese var mislykkede (fig. 10). Kjemikere fra gruppen Niko Pavlicek oppnådde den ønskede forbindelsen ved å fjerne to hydrogenatomer fra forløperen ved å bruke STM og bekrefte det syntetiske resultatet ved å bruke AFM.
Det antas at antallet arbeider viet til anvendelse av atomkraftmikroskopi i organisk kjemi vil fortsette å vokse. For tiden prøver flere og flere forskere å gjenta på overflaten av reaksjonen, velkjent "løsningskjemi". Men kanskje syntetiske kjemikere vil begynne å reprodusere i løsning de reaksjonene som opprinnelig ble utført på overflaten ved hjelp av AFM.
Fra ikke-levende til levende
Cantilevers og prober av atomkraftmikroskoper kan brukes ikke bare til analytiske studier eller syntese av eksotiske molekyler, men også for å løse anvendte problemer. Tilfeller av bruk av AFM i medisin er allerede kjent, for eksempel for tidlig diagnose av kreft, og her er pioneren den samme Christopher Gerber, som hadde en finger med i utviklingen av prinsippet om atomkraftmikroskopi og opprettelsen av AFM.
Dermed klarte Gerber å lære AFM å bestemme punktmutasjonen av ribonukleinsyre i melanom (på materialet oppnådd som et resultat av en biopsi). For å gjøre dette ble gullutkragingen til et atomkraftmikroskop modifisert med oligonukleotider som kan inngå intermolekylær interaksjon med RNA, og styrken til denne interaksjonen kan fortsatt måles på grunn av den piezoelektriske effekten. Følsomheten til AFM-sensoren er så høy at den allerede brukes til å studere effektiviteten til den populære CRISPR-Cas9 genomredigeringsmetoden. Den samler teknologier skapt av ulike generasjoner av forskere.
Ved å omskrive klassikeren til en av de politiske teoriene, kan vi si at vi allerede ser de ubegrensede mulighetene og uuttømmeligheten til atomkraftmikroskopi og knapt kan forestille oss hva som ligger foran oss i forbindelse med videreutviklingen av disse teknologiene. Men selv i dag gir skannetunnelmikroskopet og atomkraftmikroskopet oss muligheten til å se atomer og ta på dem. Vi kan si at dette ikke bare er en forlengelse av øynene våre, som lar oss se inn i mikrokosmos av atomer og molekyler, men også nye øyne, nye fingre som kan berøre dette mikrokosmos og kontrollere det.
