Jak wiecie, wszystko co materialne we Wszechświecie składa się z atomów. Atom to najmniejsza jednostka materii, która niesie ze sobą jego właściwości. Z kolei struktura atomu składa się z magicznej trójcy mikrocząstek: protonów, neutronów i elektronów.
Ponadto każda z mikrocząstek jest uniwersalna. Oznacza to, że na świecie nie można znaleźć dwóch różnych protonów, neutronów lub elektronów. Wszystkie są do siebie absolutnie podobne. A właściwości atomu będą zależeć tylko od składu ilościowego tych mikrocząstek w ogólnej strukturze atomu.
Na przykład struktura atomu wodoru składa się z jednego protonu i jednego elektronu. Następnie pod względem złożoności atom helu składa się z dwóch protonów, dwóch neutronów i dwóch elektronów. Atom litu składa się z trzech protonów, czterech neutronów i trzech elektronów itd.
Struktura atomów (od lewej do prawej): wodór, hel, lit
Atomy łączą się w cząsteczki, a cząsteczki łączą się w substancje, minerały i organizmy. Cząsteczka DNA, która jest podstawą wszelkiego życia, jest strukturą złożoną z tych samych trzech magicznych cegiełek wszechświata, co kamień leżący na drodze. Chociaż ta struktura jest znacznie bardziej złożona.
Jeszcze bardziej zdumiewające fakty ujawniają się, gdy staramy się przyjrzeć bliżej proporcjom i budowie układu atomowego. Wiadomo, że atom składa się z jądra i elektronów poruszających się wokół niego po trajektorii opisującej kulę. Oznacza to, że nie można tego nawet nazwać ruchem w zwykłym znaczeniu tego słowa. Elektron znajduje się raczej wszędzie i bezpośrednio w tej sferze, tworząc chmurę elektronów wokół jądra i tworząc pole elektromagnetyczne.
Schematyczne przedstawienia struktury atomu
Jądro atomu składa się z protonów i neutronów iw nim skupia się prawie cała masa układu. Ale jednocześnie samo jądro jest tak małe, że jeśli zwiększymy jego promień do skali 1 cm, to promień całej struktury atomu osiągnie setki metrów. Tak więc wszystko, co postrzegamy jako gęstą materię, składa się z ponad 99% połączeń energetycznych między samymi fizycznymi cząsteczkami i mniej niż 1% samych form fizycznych.
Ale czym są te fizyczne formy? Z czego są wykonane i z jakiego materiału są? Aby odpowiedzieć na te pytania, przyjrzyjmy się bliżej budowie protonów, neutronów i elektronów. Schodzimy więc jeszcze jeden krok w głąb mikrokosmosu - na poziom cząstek subatomowych.
Z czego zrobiony jest elektron?
Najmniejszą cząstką atomu jest elektron. Elektron ma masę, ale nie ma objętości. Z naukowego punktu widzenia elektron nie składa się z niczego, ale jest punktem pozbawionym struktury.
Elektronu nie można zobaczyć pod mikroskopem. Jest obserwowany tylko w postaci chmury elektronowej, która wygląda jak rozmyta kula wokół jądra atomowego. Jednocześnie nie da się dokładnie określić, gdzie w danej chwili znajduje się elektron. Urządzenia są w stanie wychwycić nie samą cząsteczkę, a jedynie jej ślad energetyczny. Istota elektronu nie jest osadzona w pojęciu materii. Jest raczej jak pusta forma, która istnieje tylko w ruchu i poprzez ruch.
W elektronie nie znaleziono jeszcze żadnej struktury. Jest to ta sama cząstka punktowa, co kwant energii. W rzeczywistości elektron to energia, jednak jest to jego bardziej stabilna forma niż ta reprezentowana przez fotony światła.
W tej chwili elektron jest uważany za niepodzielny. Jest to zrozumiałe, ponieważ nie da się podzielić czegoś, co nie ma objętości. Jednak w teorii pojawiły się już zmiany, zgodnie z którymi skład elektronu zawiera trójcę takich quasicząstek, jak:
- Orbiton - zawiera informacje o pozycji orbitalnej elektronu;
- Spinon - odpowiada za rotację lub moment obrotowy;
- Holon - przenosi informację o ładunku elektronu.
Jednak, jak widzimy, quasi-cząstki nie mają absolutnie nic wspólnego z materią i niosą tylko informacje.
Zdjęcia atomów różnych substancji w mikroskopie elektronowym
Co ciekawe, elektron może pochłaniać kwanty energii, takie jak światło czy ciepło. W tym przypadku atom przesuwa się na nowy poziom energetyczny, a granice chmury elektronowej rozszerzają się. Zdarza się również, że energia pochłonięta przez elektron jest tak duża, że może wyskoczyć z układu atomowego i kontynuować swój ruch jako niezależna cząstka. Jednocześnie zachowuje się jak foton światła, to znaczy wydaje się, że przestaje być cząsteczką i zaczyna wykazywać właściwości fali. Zostało to udowodnione w eksperymencie.
Eksperyment Younga
W trakcie eksperymentu strumień elektronów kierowany był na ekran z wyciętymi w nim dwoma szczelinami. Przechodząc przez te szczeliny, elektrony zderzały się z powierzchnią innego ekranu projekcyjnego, pozostawiając na nim swój ślad. W wyniku tego „bombardowania” elektronami na ekranie projekcyjnym pojawił się wzór interferencyjny, podobny do tego, który pojawiłby się, gdyby fale, ale nie cząstki, przechodziły przez dwie szczeliny.
Taki wzór występuje dzięki temu, że fala przechodząca między dwiema szczelinami jest podzielona na dwie fale. W wyniku dalszego ruchu fale nakładają się na siebie, a w niektórych miejscach się znoszą. W rezultacie na ekranie projekcyjnym otrzymujemy wiele pasków, zamiast jednego, jakby elektron zachowywał się jak cząstka.
Budowa jądra atomu: protony i neutrony
Protony i neutrony tworzą jądro atomu. I pomimo tego, że w całkowitej objętości rdzeń zajmuje mniej niż 1%, to w tej strukturze skoncentrowana jest prawie cała masa układu. Ale kosztem struktury protonów i neutronów fizycy są podzieleni w opiniach, a w tej chwili istnieją dwie teorie naraz.
- Teoria nr 1 — standard
Model Standardowy mówi, że protony i neutrony składają się z trzech kwarków połączonych chmurą gluonów. Kwarki są cząstkami punktowymi, podobnie jak kwanty i elektrony. A gluony to cząstki wirtualne, które zapewniają interakcję kwarków. Jednak w przyrodzie nie znaleziono ani kwarków, ani gluonów, dlatego model ten jest ostro krytykowany.
- Teoria nr 2 - Alternatywa
Ale zgodnie z alternatywną teorią jednolitego pola opracowaną przez Einsteina proton, podobnie jak neutron, jak każda inna cząstka świata fizycznego, jest polem elektromagnetycznym wirującym z prędkością światła.
Pola elektromagnetyczne człowieka i planety
Jakie są zasady budowy atomu?
Wszystko na świecie - subtelne i gęste, płynne, stałe i gazowe - to tylko stany energetyczne niezliczonych pól, które przenikają przestrzeń Wszechświata. Im wyższy poziom energii w polu, tym jest cieńszy i mniej wyczuwalny. Im niższy poziom energii, tym jest bardziej stabilny i namacalny. W strukturze atomu, a także w strukturze dowolnej innej jednostki Wszechświata, leży wzajemne oddziaływanie takich pól - różniących się gęstością energii. Okazuje się, że materia jest tylko iluzją umysłu.
Atom (z greckiego „niepodzielny”) to niegdyś najmniejsza cząsteczka materii o mikroskopijnych wymiarach, najmniejsza część pierwiastka chemicznego, która posiada jego właściwości. Składniki atomu - protony, neutrony, elektrony - nie mają już tych właściwości i tworzą je razem. Atomy kowalencyjne tworzą cząsteczki. Naukowcy badają cechy atomu i choć są już dość dobrze przebadane, nie tracą okazji na znalezienie czegoś nowego - w szczególności w dziedzinie tworzenia nowych materiałów i nowych atomów (kontynuując układ okresowy). 99,9% masy atomu znajduje się w jądrze.
Nie daj się zastraszyć tytułem. Czarna dziura, przypadkowo stworzona przez pracowników Narodowego Laboratorium Akceleracyjnego SLAC, okazała się mieć rozmiar tylko jednego atomu, więc nic nam nie grozi. A nazwa „czarna dziura” tylko z daleka opisuje zjawisko obserwowane przez badaczy. Wielokrotnie opowiadaliśmy o najpotężniejszym laserze rentgenowskim na świecie, zwanym
Jednak sfotografowanie samego atomu, a nie jakiejkolwiek jego części, wydawało się niezwykle trudnym zadaniem, nawet przy użyciu najnowocześniejszych urządzeń.
Faktem jest, że zgodnie z prawami mechaniki kwantowej niemożliwe jest równie dokładne określenie wszystkich właściwości cząstki subatomowej. Ta część fizyki teoretycznej opiera się na zasadzie nieoznaczoności Heisenberga, która mówi, że nie da się zmierzyć współrzędnych i pędu cząstki z taką samą dokładnością – dokładne pomiary jednej właściwości z pewnością zmienią dane o drugiej.
Dlatego zamiast określać położenie (współrzędne cząstek), teoria kwantowa proponuje pomiar tzw. funkcji falowej.
Funkcja fali działa w podobny sposób jak fala dźwiękowa. Jedyna różnica polega na tym, że matematyczny opis fali dźwiękowej określa ruch cząsteczek w powietrzu w określonym miejscu, a funkcja falowa opisuje prawdopodobieństwo pojawienia się cząstki w tym czy innym miejscu zgodnie z równaniem Schrödingera.
Pomiar funkcji falowej również nie jest łatwy (bezpośrednie obserwacje powodują jej załamanie), ale fizycy teoretyczni mogą z grubsza przewidzieć jej wartości.
Eksperymentalny pomiar wszystkich parametrów funkcji falowej jest możliwy tylko wtedy, gdy zbiera się je z oddzielnych pomiarów destrukcyjnych przeprowadzonych na całkowicie identycznych układach atomów lub molekuł.
Fizycy z Holandii Instytut Badawczy AMOLF zaprezentował nową metodę, która nie wymaga „przebudowy” i opublikowała wyniki swojej pracy w czasopiśmie Physical Review Letters. Ich metodologia opiera się na hipotezie trzech sowieckich fizyków teoretycznych z 1981 r., a także na nowszych badaniach.
Podczas eksperymentu zespół naukowców skierował dwie wiązki laserowe na atomy wodoru umieszczone w specjalnej komorze. W wyniku takiego zderzenia elektrony opuściły swoje orbity z prędkością iw kierunku wyznaczonym przez ich funkcje falowe. Silne pole elektryczne w komorze, w której znajdowały się atomy wodoru, wysyłało elektrony do pewnych części detektora planarnego (płaskiego).
Pozycja elektronów uderzających w detektor była określana przez ich prędkość początkową, a nie przez ich położenie w komorze. W ten sposób rozkład elektronów na detektorze powiedział naukowcom o funkcji falowej tych cząstek, którą mieli, gdy opuszczali orbitę wokół jądra atomu wodoru.
Ruchy elektronów były wyświetlane na fosforyzującym ekranie w postaci ciemnych i jasnych pierścieni, które naukowcy sfotografowali aparatem cyfrowym o wysokiej rozdzielczości.
„Jesteśmy bardzo zadowoleni z naszych wyników. Mechanika kwantowa ma tak mało wspólnego z codziennym życiem ludzi, że mało kto pomyślałby o zrobieniu prawdziwego zdjęcia interakcji kwantowych w atomie” – mówi naczelna autorka Aneta Stodolna. praktyczne użycie, na przykład, aby stworzyć przewodniki o grubości atomu, rozwój technologii drutów molekularnych, co znacznie ulepszy nowoczesne urządzenia elektroniczne.
„Warto zauważyć, że eksperyment przeprowadzono na wodorze, który jest zarówno najprostszą, jak i najpowszechniejszą substancją w naszym Wszechświecie. Konieczne będzie zrozumienie, czy tę technikę można zastosować do bardziej złożonych atomów. Jeśli tak, to jest to wielki przełom, który pozwoli nam rozwijać nie tylko elektronikę, ale także nanotechnologię – mówi Jeff Lundeen z University of Ottawa, który nie był zaangażowany w badania.
Jednak sami naukowcy, którzy przeprowadzili eksperyment, nie zastanawiają się nad praktyczną stroną problemu. Wierzą, że ich odkrycie dotyczy przede wszystkim nauk podstawowych, które pomogą przekazać więcej wiedzy przyszłym pokoleniom fizyków.
Fizykom ze Stanów Zjednoczonych udało się uchwycić pojedyncze atomy na zdjęciu o rekordowej rozdzielczości, donosi Day.Az powołując się na Vesti.ru
Naukowcom z Cornell University w Stanach Zjednoczonych udało się uchwycić pojedyncze atomy na zdjęciu o rekordowej rozdzielczości mniejszej niż pół angstrema (0,39 Å). Poprzednie fotografie miały połowę rozdzielczości - 0,98 Å.
Potężne mikroskopy elektronowe, które widzą atomy, istnieją od pół wieku, ale ich rozdzielczość jest ograniczona przez długą falę światła widzialnego, która jest większa niż średnica przeciętnego atomu.
Dlatego naukowcy stosują rodzaj analogu soczewek, które ogniskują i powiększają obraz w mikroskopach elektronowych - są to pole magnetyczne. Jednak wahania pola magnetycznego zniekształcają wynik. Aby usunąć zniekształcenia, stosuje się dodatkowe urządzenia, które korygują pole magnetyczne, ale jednocześnie zwiększają złożoność konstrukcji mikroskopu elektronowego.
Wcześniej fizycy z Cornell University opracowali detektor elektronowy mikroskopu pikselowego (EMPAD), aby zastąpić złożony system generatory skupiające przychodzące elektrony z jedną małą matrycą o rozdzielczości 128x128 pikseli, wrażliwą na pojedyncze elektrony. Każdy piksel rejestruje kąt odbicia elektronu; Wiedząc o tym, naukowcy wykorzystując technikę ptyikografii rekonstruują charakterystykę elektronów, w tym współrzędne punktu, z którego został uwolniony.
Atomy w najwyższej rozdzielczości
David A. Muller i in. Natura, 2018.
Latem 2018 roku fizycy postanowili poprawić jakość powstałych obrazów do rekordowej jak dotąd rozdzielczości. Naukowcy umocowali arkusz materiału 2D - siarczek molibdenu MoS2 - na ruchomej wiązce i uwolnili wiązki elektronów, obracając wiązkę pod różnymi kątami do źródła elektronów. Korzystając z EMPAD i ptyikografii, naukowcy określili odległości między poszczególnymi atomami molibdenu i uzyskali obraz o rekordowej rozdzielczości 0,39 Å.
„W rzeczywistości stworzyliśmy najmniejszego władcę na świecie” – wyjaśnia Sol Gruner (Sol Gruner), jeden z autorów eksperymentu. Na uzyskanym obrazie można było zobaczyć atomy siarki o rekordowej rozdzielczości 0,39 Å. Co więcej, udało nam się nawet zobaczyć miejsce, w którym brakuje jednego takiego atomu (wskazane strzałką).
Atomy siarki w rekordowej rozdzielczości
Trurl zaczął łapać atomy, wydrapywać z nich elektrony, ugniatać protony tak, że błyskały mu tylko palce, przygotowywał ciasto protonowe, układał wokół niego elektrony i — dla następnego atomu; minęło mniej niż pięć minut, zanim trzymał w rękach sztabkę czystego złota: podał ją do pyska, ale ona, po skosztowaniu sztabki na zębie i kiwając głową, powiedziała:
- I rzeczywiście złoto, ale nie mogę tak gonić atomów. Jestem za duży.
- Nic, damy ci specjalny aparat! Namówił go Trurl.
Stanisław Lem, Cyberiad
Czy można zobaczyć atom pod mikroskopem, odróżnić go od innego atomu, prześledzić niszczenie lub tworzenie wiązania chemicznego i zobaczyć, jak jedna cząsteczka zamienia się w drugą? Tak, jeśli nie jest to zwykły mikroskop, ale mikroskop sił atomowych. I można i nie ograniczać się do obserwacji. Żyjemy w czasach, gdy mikroskop sił atomowych przestał być tylko oknem na mikroświat. Dziś tego instrumentu można używać do poruszania atomów, rozrywania wiązań chemicznych, badania wytrzymałości na rozciąganie pojedynczych cząsteczek, a nawet badania ludzkiego genomu.
Litery z ksenonowych pikseli
Rozważanie atomów nie zawsze było takie proste. Historia mikroskopu sił atomowych rozpoczęła się w 1979 roku, kiedy Gerd Karl Binnig i Heinrich Rohrer, pracujący w IBM Research Center w Zurychu, zaczęli tworzyć instrument, który umożliwiłby badanie powierzchni z rozdzielczością atomową. Aby wymyślić takie urządzenie, naukowcy postanowili wykorzystać efekt przejścia tunelowego - zdolność elektronów do pokonywania pozornie nieprzebytych barier. Pomysł polegał na określeniu położenia atomów w próbce poprzez pomiar natężenia prądu tunelowego, który występuje między sondą skanującą a badaną powierzchnią.
Binnig i Rohrer odnieśli sukces i przeszli do historii jako wynalazcy skaningowego mikroskopu tunelowego (STM), aw 1986 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Skaningowy mikroskop tunelowy dokonał prawdziwej rewolucji w fizyce i chemii.
W 1990 roku Don Eigler i Erhard Schweitzer, pracujący w IBM Research Center w Kalifornii, wykazali, że STM może być używany nie tylko do obserwacji atomów, ale także do manipulowania nimi. Za pomocą sondy skaningowego mikroskopu tunelowego stworzyli bodaj najpopularniejszy obraz, symbolizujący przejście chemików do pracy z pojedynczymi atomami - namalowali na powierzchni niklu trzy litery z 35 atomami ksenonu (ryc. 1).
Binnig nie spoczął na laurach - w roku otrzymania nagroda Nobla wraz z Christopherem Gerberem i Kelvinem Quaytem, również w IBM Zurich Research Center, rozpoczął pracę nad kolejnym urządzeniem do badania mikroświata, pozbawionym wad tkwiących w STM. Faktem jest, że za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego nie można było badać powierzchni dielektrycznych, a jedynie przewodników i półprzewodników, a aby je przeanalizować, trzeba było stworzyć znaczne rozrzedzenie między nimi a sondą mikroskopu. Zdając sobie sprawę, że łatwiej było stworzyć nowe urządzenie niż unowocześnić już istniejące, Binnig, Gerber i Quait wynaleźli mikroskop sił atomowych, czyli AFM. Zasada jego działania jest radykalnie inna: aby uzyskać informacje o powierzchni, mierzy się nie aktualną siłę występującą między sondą mikroskopową a badaną próbką, ale wartość sił przyciągania, które powstają między nimi, czyli słabe oddziaływania niechemiczne - siły van der Waalsa.
Pierwszy działający model AFM był stosunkowo prosty. Naukowcy przesunęli sondę diamentową po powierzchni próbki, połączoną z elastycznym czujnikiem mikromechanicznym - wspornikiem ze złotej folii (pomiędzy sondą a atomem następuje przyciąganie, wspornik ugina się w zależności od siły przyciągania i deformuje piezoelektryczny). Stopień wygięcia wspornika określano za pomocą czujników piezoelektrycznych – w podobny sposób rowki i grzbiety płyty winylowej zamienia się w nagranie dźwiękowe. Konstrukcja mikroskopu sił atomowych pozwoliła na wykrycie sił przyciągających do 10–18 niutonów. Rok po stworzeniu działającego prototypu naukowcom udało się uzyskać obraz topografii powierzchni grafitu o rozdzielczości 2,5 angstremów.
W ciągu trzech dekad, które minęły od tego czasu, AFM był używany do badania prawie każdego obiektu chemicznego - od powierzchni materiału ceramicznego po żywe komórki i pojedyncze cząsteczki, zarówno w stanie statycznym, jak i dynamicznym. Mikroskopia sił atomowych stała się koniem roboczym chemików i materiałoznawców, a liczba prac, w których ta metoda jest wykorzystywana, stale rośnie (ryc. 2).
Przez lata badacze wybierali warunki zarówno kontaktowego, jak i bezkontaktowego badania obiektów za pomocą mikroskopii sił atomowych. Opisana powyżej metoda kontaktu opiera się na interakcji van der Waalsa pomiędzy wspornikiem a powierzchnią. Podczas pracy w trybie bezkontaktowym piezowibrator wzbudza drgania sondy z określoną częstotliwością (najczęściej rezonansową). Siła działająca od powierzchni powoduje, że zmienia się zarówno amplituda, jak i faza drgań sondy. Pomimo pewnych niedociągnięć metody bezkontaktowej (przede wszystkim wrażliwości na hałas zewnętrzny), to właśnie ta metoda wyklucza wpływ sondy na badany obiekt, a zatem jest bardziej interesująca dla chemików.
Żyje na sondach, goni połączenia
Mikroskopia sił atomowych stała się bezkontaktowa w 1998 roku dzięki pracy ucznia Binniga, Franza Josefa Gissible'a. To on zasugerował zastosowanie jako wspornika kwarcowego oscylatora odniesienia o stabilnej częstotliwości. Po 11 latach badacze z laboratorium IBM w Zurychu podjęli kolejną modyfikację bezkontaktowego AFM: rolę sondy-czujnika pełnił nie ostry kryształ diamentu, ale jedna cząsteczka - tlenek węgla. Umożliwiło to przejście do rozdzielczości subatomowej, co zademonstrował Leo Gross z oddziału IBM w Zurychu. W 2009 roku z pomocą AFM uwidocznił nie atomy, ale wiązania chemiczne, uzyskując dość wyraźny i jednoznacznie czytelny „obraz” dla cząsteczki pentacenu (ryc. 3; Nauki ścisłe, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Przekonany, że w AFM można zaobserwować wiązania chemiczne, Leo Gross postanowił pójść dalej i użyć mikroskopu sił atomowych do pomiaru długości i rzędów wiązań - kluczowych parametrów dla zrozumienia struktury chemicznej, a tym samym właściwości substancji.
Przypomnijmy, że różnica w rzędach wiązań wskazuje na różne gęstości elektronów i różne odległości międzyatomowe między dwoma atomami (w uproszczeniu wiązanie podwójne jest krótsze niż wiązanie pojedyncze). W etanie porządek wiązań węgiel-węgiel wynosi jeden, w etylenie są to dwa, a w klasycznej cząsteczce aromatycznej, benzenie, porządek wiązań węgiel-węgiel jest większy niż jeden, ale mniejszy niż dwa, i uważa się go za 1,5.
Określenie kolejności wiązań jest znacznie trudniejsze przy przechodzeniu od prostych układów aromatycznych do płaskich lub obszernych poliskondensowanych układów pierścieniowych. Tak więc kolejność wiązań w fulerenach składających się ze skondensowanych pięcio- i sześcioczłonowych cykli węglowych może przyjmować dowolną wartość od jednego do dwóch. Ta sama niepewność teoretycznie dotyczy policyklicznych związków aromatycznych.
W 2012 roku Leo Gross wraz z Fabianem Mohnem wykazali, że mikroskop sił atomowych z metalową sondą bezkontaktową zmodyfikowaną tlenkiem węgla może mierzyć różnice w rozkładzie ładunków między atomami i odległościach międzyatomowych – czyli parametry związane z porządkiem wiązań ( Nauki ścisłe, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
W tym celu zbadali dwa rodzaje wiązań chemicznych w fulerenie - wiązanie węgiel-węgiel, wspólne dla dwóch sześcioczłonowych cykli fullerenu C60 zawierających węgiel, oraz wiązanie węgiel-węgiel, wspólne dla pięcio- i sześcioczłonowych cykle. Mikroskop sił atomowych wykazał, że kondensacja pierścieni sześcioczłonowych powoduje powstanie wiązania krótszego i wyższego rzędu niż kondensacja fragmentów cyklicznych C6 i C5. Badanie cech wiązań chemicznych w heksabenzokoronenie, gdzie sześć kolejnych cykli C6 znajduje się symetrycznie wokół centralnego cyklu C6, potwierdziło wyniki kwantowego modelowania chemicznego, zgodnie z którym kolejność wiązań N-N centralny pierścienie (na ryc. 4 litera i) musi być większa niż wiązania łączące ten pierścień z cyklami obwodowymi (na ryc. 4 litera j). Podobne wyniki uzyskano również dla bardziej złożonego policyklicznego węglowodoru aromatycznego zawierającego dziewięć sześcioczłonowych pierścieni.
Porządki wiązań i odległości międzyatomowe były oczywiście interesujące dla chemików organicznych, ale było to ważniejsze dla tych, którzy zajmowali się teorią wiązań chemicznych, przewidywaniem reaktywności i badaniem mechanizmów reakcji chemicznych. Niemniej jednak zarówno chemicy-syntetycy, jak i specjaliści od badania struktury związków naturalnych byli zaskoczeni: okazało się, że mikroskop sił atomowych może służyć do ustalania struktury cząsteczek w taki sam sposób, jak spektroskopia NMR czy IR. Co więcej, daje jednoznaczną odpowiedź na pytania, z którymi te metody nie są w stanie sobie poradzić.
Od fotografii do kina
W 2010 roku tym samym Leo Grossowi i Rainerowi Ebelowi udało się jednoznacznie ustalić strukturę naturalnego związku – cefalandolu A, wyizolowanego z bakterii Dermacoccus abyssi(Chemia przyrody, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Skład cefalandolu A określono wcześniej za pomocą spektrometrii masowej, jednak analiza widm NMR tego związku nie dała jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o jego budowę: możliwe były cztery warianty. Korzystając z mikroskopu sił atomowych, naukowcy natychmiast wykluczyli dwie z czterech struktur i dokonali właściwego wyboru pozostałych dwóch, porównując wyniki uzyskane za pomocą AFM i kwantowego modelowania chemicznego. Zadanie okazało się trudne: w przeciwieństwie do pentacenu, fulerenów i koronenów, cefalandol A zawiera nie tylko atomy węgla i wodoru, w dodatku ta cząsteczka nie ma płaszczyzny symetrii (ryc. 5) - ale i ten problem został rozwiązany.
Dalsze potwierdzenie, że mikroskop sił atomowych może być używany jako narzędzie analityczne, pochodzi od grupy Oskara Kustanza, ówczesnej Szkoły Inżynierskiej Uniwersytetu w Osace. Pokazał, jak za pomocą AFM odróżnić atomy, które różnią się od siebie znacznie mniej niż węgiel i wodór ( Natura, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustanz zbadał powierzchnię stopu składającego się z krzemu, cyny i ołowiu o znanej zawartości każdego pierwiastka. W wyniku licznych eksperymentów odkrył, że siła powstająca między końcówką sondy AFM a różnymi atomami jest różna (rys. 6). Na przykład najsilniejsze oddziaływanie zaobserwowano przy sondowaniu krzemu, a najsłabsze przy sondowaniu ołowiu.
Zakłada się, że w przyszłości wyniki mikroskopii sił atomowych do rozpoznawania poszczególnych atomów będą przetwarzane w taki sam sposób jak wyniki NMR - poprzez porównanie wartości względnych. Ponieważ dokładny skład igły czujnika jest trudny do kontrolowania, bezwzględna wartość siły między czujnikiem a różnymi atomami powierzchni zależy od warunków doświadczalnych i marki urządzenia, ale stosunek tych sił do dowolnego składu i kształtu czujnik pozostaje stały dla każdego pierwiastka chemicznego.
W 2013 roku pojawiły się pierwsze przykłady wykorzystania AFM do uzyskania obrazów pojedynczych cząsteczek przed i po reakcjach chemicznych: z produktów i półproduktów reakcji powstaje „fotoset”, który następnie można zamontować jako rodzaj filmu dokumentalnego ( Nauki ścisłe, 2013, 340, 6139, 1434-1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Felix Fisher i Michael Crommie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley nałożyli srebro na powierzchnię 1,2-bis[(2-etynylofenylo)etynylo]benzen, zobrazowali cząsteczki i podgrzali powierzchnię, aby zainicjować cyklizację. Połowa pierwotnych cząsteczek zamieniła się w wielopierścieniowe struktury aromatyczne, składające się ze skondensowanych pięciu sześcioczłonowych i dwóch pięcioczłonowych pierścieni. Kolejna ćwiartka cząsteczek utworzyła struktury składające się z czterech sześcioczłonowych cykli połączonych jednym czteroczłonowym cyklem i dwoma pięcioczłonowymi cyklami (rys. 7). Pozostałe produkty to struktury oligomeryczne oraz, w nieznacznej ilości, izomery policykliczne.
Wyniki te dwukrotnie zaskoczyły badaczy. Po pierwsze, podczas reakcji powstały tylko dwa główne produkty. Po drugie, ich konstrukcja wywołała zaskoczenie. Fisher zauważa, że intuicja chemiczna i doświadczenie pozwoliły narysować dziesiątki możliwych produktów reakcji, ale żaden z nich nie odpowiadał związkom, które powstały na powierzchni. Możliwe, że oddziaływanie substancji wyjściowych z podłożem przyczyniło się do wystąpienia nietypowych procesów chemicznych.
Naturalnie, po pierwszych poważnych sukcesach w badaniach wiązań chemicznych, niektórzy badacze postanowili wykorzystać AFM do obserwacji słabszych i mniej zbadanych oddziaływań międzycząsteczkowych, w szczególności wiązań wodorowych. Jednak prace w tym obszarze dopiero się rozpoczynają, a ich wyniki są sprzeczne. Tak więc w niektórych publikacjach podano, że mikroskopia sił atomowych umożliwiła obserwację wiązania wodorowego ( Nauki ścisłe, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), w innych twierdzą, że są to tylko artefakty ze względu na cechy konstrukcyjne urządzenia, a wyniki eksperymentów należy interpretować ostrożniej ( Fizyczne listy kontrolne, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Być może już w tej dekadzie uzyskamy ostateczną odpowiedź na pytanie, czy możliwe jest obserwowanie wodoru i innych oddziaływań międzycząsteczkowych za pomocą mikroskopii sił atomowych. W tym celu konieczne jest przynajmniej kilkukrotne zwiększenie rozdzielczości AFM i nauka uzyskiwania obrazów bez szumów ( Przegląd fizyczny B, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).
Synteza jednej cząsteczki
W zręcznych rękach zarówno STM, jak i AFM przekształcają się z instrumentów zdolnych do badania materii w instrumenty zdolne do kierunkowej zmiany struktury materii. Za pomocą tych urządzeń udało się już uzyskać „najmniejsze laboratoria chemiczne”, w których zamiast kolby stosuje się substrat, a zamiast moli lub milimoli reagentów stosuje się pojedyncze molekuły.
Na przykład w 2016 r. międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Takashi Kumagai wykorzystał bezkontaktową mikroskopię sił atomowych do przeniesienia cząsteczki porficenu z jednej formy do drugiej ( Chemia przyrody 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porficen można uznać za modyfikację porfiryny, której wewnętrzny cykl zawiera cztery atomy azotu i dwa atomy wodoru. Drgania sondy AFM przekazały cząsteczce porficenu energię wystarczającą do przeniesienia tych wodorów z jednego atomu azotu na drugi, w wyniku czego uzyskano „lustrzane odbicie” tej cząsteczki (rys. 8).
Grupa kierowana przez niestrudzonego Leo Grossa pokazała również, że można zainicjować reakcję pojedynczej cząsteczki - zamienili dibromoantracen w dziesięcioczłonowy cykliczny diyn (ryc. 9; Chemia przyrody, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). W przeciwieństwie do Kumagai i wsp., do aktywacji cząsteczki użyli skaningowego mikroskopu tunelowego, a wynik reakcji monitorowano za pomocą mikroskopu sił atomowych.
Połączone zastosowanie skaningowego mikroskopu tunelowego i mikroskopu sił atomowych umożliwiło nawet uzyskanie cząsteczki, której nie można zsyntetyzować klasycznymi technikami i metodami ( Natura Nanotechnologia, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Ten triangulen jest niestabilnym dwurodnikiem aromatycznym, którego istnienie przewidziano sześćdziesiąt lat temu, ale wszelkie próby syntezy zakończyły się niepowodzeniem (ryc. 10). Chemicy z grupy Niko Pavlicka uzyskali pożądany związek usuwając dwa atomy wodoru z jego prekursora za pomocą STM i potwierdzając wynik syntezy za pomocą AFM.
Zakłada się, że liczba prac poświęconych zastosowaniu mikroskopii sił atomowych w chemii organicznej będzie rosła. Obecnie coraz więcej naukowców próbuje powtórzyć na powierzchni reakcji dobrze znaną „chemię roztworów”. Ale być może chemicy syntetyczni zaczną odtwarzać w roztworze te reakcje, które pierwotnie przeprowadzono na powierzchni za pomocą AFM.
Od nieożywionego do życia
Wsporniki i sondy mikroskopów sił atomowych mogą być wykorzystywane nie tylko do badań analitycznych czy syntezy egzotycznych molekuł, ale także do rozwiązywania zaistniałych problemów. Przypadki zastosowania AFM w medycynie są już znane np. we wczesnej diagnostyce raka, a tu pionierem jest ten sam Christopher Gerber, który miał rękę w opracowaniu zasady mikroskopii sił atomowych i stworzeniu AFM.
W ten sposób Gerberowi udało się nauczyć AFM określania punktowej mutacji kwasu rybonukleinowego w czerniaku (na materiale uzyskanym w wyniku biopsji). W tym celu zmodyfikowano złoty wspornik mikroskopu sił atomowych za pomocą oligonukleotydów, które mogą wchodzić w interakcję międzycząsteczkową z RNA, a siła tej interakcji nadal może być mierzona dzięki efektowi piezoelektrycznemu. Czułość czujnika AFM jest tak wysoka, że jest już wykorzystywana do badania skuteczności popularnej metody edycji genomu CRISPR-Cas9. Skupia technologie tworzone przez różne pokolenia badaczy.
Parafrazując klasykę jednej z teorii politycznych, można powiedzieć, że widzimy już nieograniczone możliwości i niewyczerpalność mikroskopii sił atomowych i trudno nam sobie wyobrazić, co nas czeka w związku z dalszym rozwojem tych technologii. Ale nawet dzisiaj skaningowy mikroskop tunelowy i mikroskop sił atomowych dają nam możliwość zobaczenia atomów i dotknięcia ich. Można powiedzieć, że to nie tylko przedłużenie naszych oczu, które pozwala nam zajrzeć w mikrokosmos atomów i molekuł, ale także nowe oczy, nowe palce, które mogą dotknąć tego mikrokosmosu i nim sterować.
