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 strekkgrensen 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 plasseringen av 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 skannetunnelmikroskopet (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 symboliserte 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 (tiltrekning skjer 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 sporene 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 en 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 ha 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, hvor ytterligere seks C6-sykluser er symmetrisk plassert rundt den sentrale C6-syklusen, bekreftet resultatene av kvantekjemisk modellering, ifølge hvilken rekkefølgen C-C tilkoblinger sentralring (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 som 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 originale 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 gjenværende 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 av de opprinnelige stoffene med 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, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), i andre argumenterer de for at dette bare er artefakter på grunn av designfunksjonene til enheten, og de eksperimentelle resultatene bør tolkes mer nøye ( 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 i retning. 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 sonder 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 forskjellige 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 er i stand til å 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.
Et atom (fra gresk «udelelig») er en gang den minste partikkelen av stoff av mikroskopisk størrelse, 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
På dette bildet ser du på det første direkte bildet av banene til et elektron rundt et atom - faktisk bølgefunksjonen til et atom!
For å ta et fotografi av banestrukturen til et hydrogenatom, brukte forskerne det nyeste kvantemikroskopet, en utrolig enhet som lar forskere se inn i kvantefysikkens rike.
Orbitalstrukturen til rommet i et atom er okkupert av et elektron. Men når de beskriver disse mikroskopiske egenskapene til materie, stoler forskerne på bølgefunksjoner, matematiske måter å beskrive kvantetilstandene til partikler, nemlig hvordan de oppfører seg i rom og tid.
Som regel brukes formler som Schrödinger-ligningen i kvantefysikk for å beskrive tilstandene til partikler.
Hindringer i forskernes vei
Til nå har forskere aldri observert bølgefunksjonen. Å prøve å fange den nøyaktige posisjonen eller farten til et enslig elektron var som å prøve å fange en sverm av fluer. Direkte observasjoner ble forvrengt av et veldig ubehagelig fenomen - kvantekoherens.
For å måle alle kvantetilstander trenger du et instrument som kan ta mange målinger av tilstandene til en partikkel over tid.
Men hvordan øke den allerede mikroskopiske tilstanden til en kvantepartikkel? Svaret ble funnet av en gruppe internasjonale forskere. Med et kvantemikroskop, en enhet som bruker fotoionisering for å observere atomstrukturer direkte.
I sin artikkel i det populære tidsskriftet Physical Review Letters beskriver Aneta Stodolna ved Institute of Molecular Physics (AMOLF) i Nederland hvordan hun og teamet hennes oppnådde de nodale elektronorbitale strukturene til et hydrogenatom plassert i et statisk elektrisk felt.
Arbeidsmetode
Etter bestråling med laserpulser forlot ioniserte elektroner sine baner og falt langs den målte banen ned i en 2D-detektor (dobbel mikrokanalplate. Detektoren er plassert vinkelrett på selve feltet). Det er mange baner som elektroner kan bevege seg langs før de kolliderer med detektoren. Dette gir forskerne et sett med interferensmønstre, modeller som reflekterer nodalstrukturen til bølgefunksjonen.
Forskerne brukte en elektrostatisk linse som forstørrer den utgående elektronbølgen med mer enn 20 000 ganger.
Hydrogenatom som fanger opp elektronskyer. Og selv om moderne fysikere til og med kan bestemme formen til et proton ved hjelp av akseleratorer, vil hydrogenatomet tilsynelatende forbli det minste objektet, hvis bilde er fornuftig å kalle et fotografi. "Lenta.ru" presenterer en oversikt over moderne metoder for å fotografere mikroverdenen.
Strengt tatt er det nesten ingen vanlig fotografering igjen i disse dager. Bilder som vi vanligvis kaller fotografier og som for eksempel kan finnes i et hvilket som helst Lenta.ru-fotoessay, er faktisk datamodeller. En lysfølsom matrise i en spesiell enhet (tradisjonelt kalles det fortsatt et "kamera") bestemmer den romlige fordelingen av lysintensiteten i flere forskjellige spektralområder, kontrollelektronikken lagrer disse dataene i digital form, og deretter en annen elektronisk krets, basert på disse dataene, gir en kommando til transistorene i flytende krystallskjermen. Film, papir, spesialløsninger for deres behandling - alt dette har blitt eksotisk. Og hvis vi husker den bokstavelige betydningen av ordet, så er fotografering "lysmaleri". Så hva skal man si at forskerne lyktes å fotografere et atom, er bare mulig med en god del konvensjonalitet.
Mer enn halvparten av alle astronomiske bilder har lenge blitt tatt med infrarøde, ultrafiolette og røntgenteleskoper. Elektronmikroskoper bestråler ikke med lys, men med en elektronstråle, mens atomkraftmikroskoper skanner relieffet av prøven med en nål. Det er røntgenmikroskoper og magnetiske resonansavbildningsskannere. Alle disse enhetene gir oss nøyaktige bilder av ulike objekter, og til tross for at det selvfølgelig ikke er nødvendig å snakke om «lysmaleri» her, tillater vi oss likevel å kalle slike bilder fotografier.
Eksperimenter fra fysikere for å bestemme formen til et proton eller fordelingen av kvarker inne i partikler vil forbli bak kulissene; vår historie vil være begrenset til atomskalaen.
Optikk blir aldri gammel
Som det viste seg i andre halvdel av 1900-tallet, har optiske mikroskoper fortsatt plass til å utvikle seg. Et avgjørende øyeblikk i biologisk og medisinsk forskning var bruken av fluorescerende fargestoffer og metoder for selektivt å merke visse stoffer. Det var ikke «bare ny maling», det var en skikkelig revolusjon.
I motsetning til vanlig misforståelse er ikke fluorescens en glød i mørket i det hele tatt (sistnevnte kalles luminescens). Dette er fenomenet med absorpsjon av kvanter av en viss energi (for eksempel blått lys) med påfølgende utslipp av andre kvanter med lavere energi og følgelig et annet lys (når blått absorberes, vil grønt bli sendt ut). Hvis du setter inn et filter som lar bare kvanta som sendes ut av fargestoffet passere gjennom og blokkerer lyset som forårsaker fluorescens, kan du se en mørk bakgrunn med lyse flekker av fargestoffer, og fargestoffer kan i sin tur farge prøven ekstremt selektivt .
For eksempel kan du farge cytoskjelettet nervecelle i rødt, synapser i grønt og kjerne i blått. Du kan lage en fluorescerende etikett som lar deg oppdage proteinreseptorer på membranen eller molekyler syntetisert av cellen under visse forhold. Metoden for immunhistokjemisk farging har revolusjonert biologisk vitenskap. Og da geningeniører lærte å lage transgene dyr med fluorescerende proteiner, opplevde denne metoden en gjenfødelse: Mus med nevroner malt i forskjellige farger ble en realitet, for eksempel.
I tillegg kom ingeniører opp med (og praktiserte) en metode for såkalt konfokalmikroskopi. Dens essens ligger i det faktum at mikroskopet fokuserer på et veldig tynt lag, og en spesiell diafragma avskjærer lyset som skapes av objekter utenfor dette laget. Et slikt mikroskop kan sekvensielt skanne en prøve fra topp til bunn og få en stabel med bilder, som er et ferdig grunnlag for en tredimensjonal modell.
Bruken av lasere og sofistikerte optiske strålekontrollsystemer har gjort det mulig å løse problemet med fargefading og tørking av delikate biologiske prøver under sterkt lys: laserstrålen skanner prøven bare når det er nødvendig for bildebehandling. Og for ikke å kaste bort tid og krefter på å undersøke et stort preparat gjennom et okular med et smalt synsfelt, foreslo ingeniørene et automatisk skanningssystem: du kan sette et glass med en prøve på objektscenen til et moderne mikroskop, og enheten vil uavhengig fange et storskala panorama av hele prøven. Samtidig, på de riktige stedene, vil han fokusere, og deretter lime mange rammer sammen.
Noen mikroskoper kan romme levende mus, rotter eller i det minste små virvelløse dyr. Andre gir en liten økning, men kombineres med røntgenapparat. For å eliminere vibrasjonsforstyrrelser er mange montert på spesielle bord som veier flere tonn innendørs med et nøye kontrollert mikroklima. Kostnaden for slike systemer overstiger kostnadene for andre elektronmikroskoper, og konkurranser om den vakreste rammen har lenge blitt en tradisjon. I tillegg fortsetter forbedringen av optikken: Fra jakten på de beste glasstypene og valg av optimale linsekombinasjoner, har ingeniører gått videre til måter å fokusere lys på.
Vi har spesifikt listet opp en rekke tekniske detaljer for å vise at fremgang innen biologisk forskning lenge har vært forbundet med fremgang på andre områder. Hvis det ikke fantes datamaskiner som automatisk kunne telle antall fargede celler i flere hundre fotografier, ville supermikroskoper vært til liten nytte. Og uten fluorescerende fargestoffer ville alle millioner av celler ikke kunne skilles fra hverandre, så det ville være nesten umulig å følge dannelsen av nye eller døden til gamle.
Faktisk var det første mikroskopet en klemme med en sfærisk linse festet til den. En analog av et slikt mikroskop kan være et enkelt spillkort med et hull laget i det og en dråpe vann. I følge noen rapporter ble slike enheter brukt av gullgruvearbeidere i Kolyma allerede i forrige århundre.
Utenfor diffraksjonsgrensen
Optiske mikroskoper har en grunnleggende ulempe. Faktum er at det er umulig å gjenopprette formen til de gjenstandene som viste seg å være mye mindre enn bølgelengden fra formen til lysbølger: du kan like godt prøve å undersøke den fine teksturen til materialet med hånden i en tykk sveisehanske.
Begrensningene skapt av diffraksjon har blitt delvis overvunnet, og uten å bryte fysikkens lover. To omstendigheter hjelper optiske mikroskoper til å dykke under diffraksjonsbarrieren: det faktum at kvanter under fluorescens sendes ut av individuelle fargestoffmolekyler (som kan være ganske langt fra hverandre), og det faktum at det ved å overlappe lysbølger er mulig å oppnå en lysstyrke. flekk med en diameter som er mindre enn bølgelengden.
Når de er lagt over hverandre, er lysbølger i stand til å oppheve hverandre, derfor er belysningsparametrene til prøven slik at det minste mulige området faller inn i det lyse området. I kombinasjon med matematiske algoritmer som for eksempel kan fjerne ghosting, gir slik retningsbelysning en dramatisk forbedring av bildekvaliteten. Det blir for eksempel mulig å undersøke intracellulære strukturer med et optisk mikroskop og til og med (ved å kombinere den beskrevne metoden med konfokal mikroskopi) få deres tredimensjonale bilder.
Elektronmikroskop før elektroniske instrumenter
For å oppdage atomer og molekyler trengte ikke forskerne å se på dem - molekylær teori trengte ikke å se objektet. Men mikrobiologi ble mulig først etter oppfinnelsen av mikroskopet. Derfor ble mikroskoper til å begynne med nettopp assosiert med medisin og biologi: fysikere og kjemikere som studerte mye mindre gjenstander som ble administrert på andre måter. Når de også ville se på mikrokosmos, ble diffraksjonsbegrensninger et alvorlig problem, spesielt siden metodene for fluorescensmikroskopi beskrevet ovenfor fortsatt var ukjente. Og det er liten vits i å øke oppløsningen fra 500 til 100 nanometer hvis objektet som skal vurderes er enda mindre!
Med visshet om at elektroner kan oppføre seg både som en bølge og som en partikkel, skapte fysikere fra Tyskland en elektronlinse i 1926. Ideen som lå til grunn var veldig enkel og forståelig for ethvert skolebarn: siden det elektromagnetiske feltet avleder elektroner, kan du med dens hjelp endre formen på strålen til disse partiklene ved å dra dem inn i forskjellige sider, eller omvendt redusere bjelkediameteren. Fem år senere, i 1931, bygde Ernst Ruska og Max Knoll verdens første elektronmikroskop. I enheten ble prøven først belyst av en elektronstråle, og deretter utvidet elektronlinsen strålen som passerte gjennom før den falt på en spesiell selvlysende skjerm. Det første mikroskopet ga bare en forstørrelse på 400 ganger, men utskiftingen av lys med elektroner banet vei for å fotografere med forstørrelse hundretusenvis av ganger: designerne måtte bare overvinne noen få tekniske hindringer.
Elektronmikroskopet gjorde det mulig å undersøke strukturen til celler i en kvalitet som tidligere var uoppnåelig. Men fra dette bildet er det umulig å forstå alderen til cellene og tilstedeværelsen av visse proteiner i dem, og denne informasjonen er svært nødvendig for forskere.
Elektronmikroskoper tillater nå nærbilder av virus. Det er forskjellige modifikasjoner av enheter som lar ikke bare skinne gjennom tynne seksjoner, men også vurdere dem i "reflektert lys" (i reflekterte elektroner, selvfølgelig). Vi vil ikke snakke i detalj om alle alternativene for mikroskoper, men vi legger merke til at forskere nylig har lært hvordan man gjenoppretter et bilde fra et diffraksjonsmønster.
Berør, ikke se
Nok en revolusjon kom på bekostning av en ytterligere avvik fra prinsippet om «lys og se». Et atomkraftmikroskop, så vel som et skanningstunnelmikroskop, skinner ikke lenger på overflaten av prøvene. I stedet beveger en spesielt tynn nål seg over overflaten, som bokstavelig talt spretter selv på støt på størrelse med et enkelt atom.
Uten å gå inn på detaljene i alle slike metoder, merker vi det viktigste: nålen til et tunnelmikroskop kan ikke bare flyttes langs overflaten, men også brukes til å omorganisere atomer fra sted til sted. Dette er hvordan forskere lager inskripsjoner, tegninger og til og med tegneserier der en tegnet gutt leker med et atom. Et ekte xenonatom dratt etter spissen av et skanningstunnelmikroskop.
Det kalles et tunnelmikroskop fordi det bruker effekten av tunnelstrøm som flyter gjennom nålen: elektroner passerer gjennom gapet mellom nålen og overflaten på grunn av den forutsagte kvantemekanikk tunneleffekt. Denne enheten krever et vakuum for å fungere.
Atomkraftmikroskopet (AFM) er mye mindre krevende for miljøforhold – det kan (med en rekke begrensninger) fungere uten luftpumping. På en måte er AFM nanoteknologiens etterfølger til grammofonen. En nål montert på en tynn og fleksibel utkragerbrakett ( utkrager og det er en "brakett"), beveger seg langs overflaten uten å legge spenning på den og følger relieffet av prøven på samme måte som grammofonnålen følger langs sporene på en grammofonplate. Bøyningen av utkrageren får speilet festet til å avvike, speilet avleder laserstrålen, og dette gjør det mulig å bestemme formen på prøven som studeres veldig nøyaktig. Hovedsaken er å ha et ganske nøyaktig system for å flytte nålen, samt en tilførsel av nåler som må være helt skarpe. Krumningsradius ved spissen av slike nåler kan ikke overstige en nanometer.
AFM lar deg se individuelle atomer og molekyler, men, som et tunnelmikroskop, lar det deg ikke se under overflaten av prøven. Forskerne må med andre ord velge mellom å kunne se atomer og å kunne studere hele objektet. Men selv for optiske mikroskoper er innsiden av de studerte prøvene ikke alltid tilgjengelige, fordi mineraler eller metaller vanligvis overfører lys dårlig. I tillegg er det fortsatt vanskeligheter med å fotografere atomer - disse objektene fremstår som enkle kuler, formen på elektronskyer er ikke synlig i slike bilder.
Synkrotronstråling, som oppstår under retardasjonen av ladede partikler spredt av akseleratorer, gjør det mulig å studere de forsteinede restene av forhistoriske dyr. Ved å rotere prøven under røntgenstråler kan vi få tredimensjonale tomogrammer – slik ble for eksempel hjernen funnet inne i skallen til fisk som døde ut for 300 millioner år siden. Du kan klare deg uten rotasjon hvis registreringen av den overførte strålingen er ved å fikse røntgenstrålene spredt på grunn av diffraksjon.
Og dette er ikke alle mulighetene røntgenstråler åpner for. Når de bestråles med det, fluorescerer mange materialer, og den kjemiske sammensetningen av et stoff kan bestemmes av fluorescensens natur: på denne måten farger forskere gamle gjenstander, verkene til Arkimedes slettet i middelalderen, eller fargen på fjær av fugler som er utdødd for lenge siden.
Poserende atomer
På bakgrunn av alle mulighetene som røntgen- eller optiske fluorescensmetoder gir, virker ikke en ny måte å fotografere individuelle atomer lenger som et så stort gjennombrudd i vitenskapen. Essensen av metoden som gjorde det mulig å få bildene presentert denne uken er som følger: elektroner plukkes fra ioniserte atomer og sendes til en spesiell detektor. Hver ioniseringshandling fjerner et elektron fra en bestemt posisjon og gir ett poeng på "bildet". Etter å ha samlet flere tusen slike punkter, dannet forskerne et bilde som viser de mest sannsynlige stedene for å finne et elektron rundt kjernen til et atom, og dette er per definisjon en elektronsky.
Avslutningsvis, la oss si at evnen til å se individuelle atomer med deres elektronskyer er mer som et kirsebær på kaken til moderne mikroskopi. Det var viktig for forskere å studere strukturen til materialer, å studere celler og krystaller, og utviklingen av teknologier som ble resultatet av dette gjorde det mulig å nå hydrogenatomet. Alt mindre er allerede interessesfæren til spesialister i elementær partikkelfysikk. Og biologer, materialforskere og geologer har fortsatt plass til å forbedre mikroskopene selv med en ganske beskjeden forstørrelse sammenlignet med atomer. Eksperter innen nevrofysiologi, for eksempel, har lenge ønsket å ha en enhet som kan se individuelle celler inne i en levende hjerne, og skaperne av rovere ville selge sjelen sin for et elektronmikroskop som skulle passe om bord i et romfartøy og kunne fungere på Mars.
Å fotografere selve atomet, og ikke noen del av det, virket imidlertid som 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 banene sine med hastigheten og 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 et hydrogenatom.
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 fornøyde 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 metodikken 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 mest vanlige stoffet i vårt univers. 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.
