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 jest symetrycznie rozmieszczonych wokół centralnego cyklu C6, potwierdziły wyniki kwantowego modelowania chemicznego, zgodnie z którym kolejność Połączenia C-C pierścień centralny (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.
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
Na tym zdjęciu patrzysz na pierwszy bezpośredni obraz orbity elektronu wokół atomu — w rzeczywistości funkcję falową atomu!
Aby zrobić zdjęcie orbitalnej struktury atomu wodoru, naukowcy wykorzystali najnowszy mikroskop kwantowy, niesamowite urządzenie, które pozwala naukowcom zajrzeć w sferę fizyki kwantowej.
Strukturę orbitalną przestrzeni w atomie zajmuje elektron. Ale opisując te mikroskopijne właściwości materii, naukowcy opierają się na funkcjach falowych, matematycznych sposobach opisywania stanów kwantowych cząstek, a mianowicie tego, jak zachowują się w przestrzeni i czasie.
Z reguły w fizyce kwantowej do opisu stanów cząstek używa się wzorów takich jak równanie Schrödingera.
Przeszkody na drodze badaczy
Do tej pory naukowcy nigdy nie zaobserwowali funkcji falowej. Próba uchwycenia dokładnej pozycji lub pędu samotnego elektronu była jak próba złapania roju much. Bezpośrednie obserwacje zostały zniekształcone przez bardzo nieprzyjemne zjawisko - koherencję kwantową.
Aby zmierzyć wszystkie stany kwantowe, potrzebujesz instrumentu, który może wykonać wiele pomiarów stanów cząstki w czasie.
Ale jak zwiększyć i tak już mikroskopijny stan cząstki kwantowej? Odpowiedź znalazła grupa międzynarodowych badaczy. Z mikroskopem kwantowym, urządzeniem wykorzystującym fotojonizację do bezpośredniej obserwacji struktur atomowych.
W swoim artykule w popularnym czasopiśmie Physical Review Letters, Aneta Stodolna z Instytutu Fizyki Molekularnej (AMOLF) w Holandii opisuje, w jaki sposób ona i jej zespół uzyskali węzłowe struktury orbitalne elektronów atomu wodoru umieszczonego w statycznym polu elektrycznym.
Metoda pracy
Po naświetleniu impulsami laserowymi zjonizowane elektrony opuszczały swoje orbity i wzdłuż mierzonej trajektorii wpadały do detektora 2D (podwójna płytka mikrokanałowa. Detektor jest umieszczony prostopadle do samego pola). Istnieje wiele trajektorii, po których mogą przemieszczać się elektrony przed zderzeniem się z detektorem. Zapewnia to naukowcom zestaw wzorców interferencyjnych, modeli, które odzwierciedlają węzłową strukturę funkcji falowej.
Naukowcy wykorzystali soczewkę elektrostatyczną, która powiększa wychodzącą falę elektronów ponad 20 000 razy.
Atom wodoru wychwytujący chmury elektronowe. I chociaż współcześni fizycy mogą nawet określić kształt protonu za pomocą akceleratorów, atom wodoru najwyraźniej pozostanie najmniejszym obiektem, którego obraz ma sens nazywać fotografią. „Lenta.ru” przedstawia przegląd nowoczesnych metod fotografowania mikroświata.
Ściśle mówiąc, w dzisiejszych czasach prawie nie ma już zwykłej fotografii. Obrazy, które zwykle nazywamy fotografiami i które można znaleźć na przykład w dowolnym eseju fotograficznym Lenta.ru, są w rzeczywistości modelami komputerowymi. Światłoczuła matryca w specjalnym urządzeniu (tradycyjnie nadal nazywana „kamerą”) określa przestrzenny rozkład natężenia światła w kilku różnych zakresach spektralnych, elektronika sterująca przechowuje te dane w postaci cyfrowej, a następnie kolejny układ elektroniczny, oparty na na tych danych, wydaje polecenie tranzystorom na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym. Folia, papier, specjalne rozwiązania do ich przetwarzania - wszystko to stało się egzotyczne. A jeśli pamiętamy dosłowne znaczenie tego słowa, to fotografia to „malowanie światłem”. Więc co powiedzieć, że naukowcom się udało fotografować atom jest możliwy tylko przy dużej dozie konwencjonalności.
Ponad połowa wszystkich obrazów astronomicznych była od dawna wykonywana przez teleskopy podczerwone, ultrafioletowe i rentgenowskie. Mikroskopy elektronowe naświetlają nie światłem, ale wiązką elektronów, podczas gdy mikroskopy sił atomowych skanują relief próbki za pomocą igły. Istnieją mikroskopy rentgenowskie i skanery rezonansu magnetycznego. Wszystkie te urządzenia dają nam wierne obrazy różnych przedmiotów i choć oczywiście nie trzeba tu mówić o „malowaniu światłem”, wciąż pozwalamy sobie nazywać takie obrazy fotografiami.
Eksperymenty fizyków mające na celu określenie kształtu protonu lub rozmieszczenie kwarków wewnątrz cząstek pozostaną za kulisami; nasza historia ograniczy się do skali atomów.
Optyka nigdy się nie starzeje
Jak się okazało w drugiej połowie XX wieku, mikroskopy optyczne wciąż mają pole do rozwoju. Decydującym momentem w badaniach biologicznych i medycznych było pojawienie się barwników fluorescencyjnych i metod selektywnego znakowania niektórych substancji. To nie była „tylko nowa farba”, to był prawdziwy zamach stanu.
W przeciwieństwie do powszechnego błędnego przekonania, fluorescencja wcale nie jest poświatą w ciemności (ta ostatnia nazywa się luminescencją). Jest to zjawisko pochłaniania kwantów o określonej energii (powiedzmy światła niebieskiego) z następczą emisją innych kwantów o mniejszej energii i odpowiednio innego światła (w przypadku pochłaniania koloru niebieskiego zostanie wyemitowany zielony). Jeśli założysz filtr, który przepuszcza tylko kwanty emitowane przez barwnik i blokuje światło wywołujące fluorescencję, możesz zobaczyć ciemne tło z jasnymi plamami barwników, a barwniki z kolei mogą bardzo selektywnie zabarwić próbkę .
Na przykład możesz zabarwić cytoszkielet komórka nerwowa na czerwono, synapsy na zielono, a jądro na niebiesko. Możesz zrobić etykietę fluorescencyjną, która pozwoli Ci wykryć receptory białkowe na błonie lub cząsteczki syntetyzowane przez komórkę w określonych warunkach. Metoda barwienia immunohistochemicznego zrewolucjonizowała nauki biologiczne. A kiedy inżynierowie genetyczni nauczyli się wytwarzać transgeniczne zwierzęta z białkami fluorescencyjnymi, ta metoda doznała odrodzenia: na przykład myszy z neuronami pomalowanymi na różne kolory stały się rzeczywistością.
Ponadto inżynierowie opracowali (i przećwiczyli) metodę tak zwanej mikroskopii konfokalnej. Jego istota polega na tym, że mikroskop skupia się na bardzo cienkiej warstwie, a specjalna przesłona odcina światło wytwarzane przez obiekty znajdujące się poza tą warstwą. Taki mikroskop może sekwencyjnie skanować próbkę od góry do dołu i uzyskać stos obrazów, który jest gotową podstawą dla trójwymiarowego modelu.
Zastosowanie laserów i wyrafinowanych systemów kontroli wiązki optycznej pozwoliło rozwiązać problem blaknięcia i suszenia delikatnych próbek biologicznych w jasnym świetle: wiązka lasera skanuje próbkę tylko wtedy, gdy jest to konieczne do obrazowania. A żeby nie tracić czasu i wysiłku na badanie dużego preparatu przez okular o wąskim polu widzenia, inżynierowie zaproponowali automatyczny system skanowania: na stolik przedmiotowy nowoczesnego mikroskopu można postawić szklankę z próbką, a urządzenie niezależnie wykona wielkoskalową panoramę całej próbki. Jednocześnie w odpowiednich miejscach skupi się, a następnie sklei ze sobą wiele kadrów.
Niektóre mikroskopy mogą pomieścić żywe myszy, szczury lub przynajmniej małe bezkręgowce. Inne dają niewielki wzrost, ale są połączone z aparatem rentgenowskim. Wiele z nich jest zamontowanych na specjalnych stołach ważących kilka ton w pomieszczeniach o dokładnie kontrolowanym mikroklimacie, aby wyeliminować zakłócenia drgań. Koszt takich systemów przewyższa koszt innych mikroskopów elektronowych, a konkursy na najpiękniejszą oprawę od dawna stały się tradycją. Ponadto, udoskonalanie optyki trwa nadal: od poszukiwania najlepszych rodzajów szkła i doboru optymalnych kombinacji soczewek inżynierowie przeszli do sposobów skupiania światła.
Wymieniliśmy konkretnie szereg szczegółów technicznych, aby pokazać, że postęp w dziedzinie badań biologicznych od dawna wiąże się z postępem w innych dziedzinach. Gdyby nie było komputerów zdolnych do automatycznego zliczania liczby wybarwionych komórek na kilkuset fotografiach, supermikroskopy byłyby mało przydatne. A bez barwników fluorescencyjnych wszystkie miliony komórek byłyby nie do odróżnienia od siebie, więc śledzenie powstawania nowych lub śmierci starych byłoby prawie niemożliwe.
W rzeczywistości pierwszy mikroskop był zaciskiem z przymocowaną do niego soczewką sferyczną. Analogiem takiego mikroskopu może być prosta karta do gry z wykonanym w niej otworem i kroplą wody. Według niektórych doniesień takie urządzenia były używane przez górników złota na Kołymie już w ubiegłym stuleciu.
Poza granicą dyfrakcji
Mikroskopy optyczne mają podstawową wadę. Faktem jest, że z kształtu fal świetlnych nie można odtworzyć kształtu tych obiektów, które okazały się znacznie mniejsze niż długość fali: równie dobrze można spróbować zbadać delikatną fakturę materiału ręką w gruba rękawica spawalnicza.
Ograniczenia wynikające z dyfrakcji zostały częściowo przezwyciężone i to bez naruszania praw fizyki. Dwie okoliczności pomagają mikroskopom optycznym zanurzyć się pod barierą dyfrakcyjną: fakt, że podczas fluorescencji kwanty są emitowane przez pojedyncze cząsteczki barwnika (które mogą być dość daleko od siebie) oraz fakt, że nakładając fale świetlne można uzyskać jasny plamka o średnicy mniejszej niż długość fali.
Nakładając się na siebie, fale świetlne są w stanie znosić się nawzajem, dlatego parametry oświetlenia próbki są takie, że najmniejszy możliwy obszar wpada w jasny obszar. W połączeniu z algorytmami matematycznymi, które mogą na przykład usuwać zjawy, takie kierunkowe oświetlenie zapewnia radykalną poprawę jakości obrazu. Możliwe staje się np. badanie struktur wewnątrzkomórkowych pod mikroskopem optycznym, a nawet (łącząc opisaną metodę z mikroskopią konfokalną) uzyskanie ich trójwymiarowych obrazów.
Mikroskop elektronowy przed instrumentami elektronicznymi
Aby odkryć atomy i molekuły, naukowcy nie musieli na nie patrzeć – teoria molekularna nie musiała widzieć obiektu. Ale mikrobiologia stała się możliwa dopiero po wynalezieniu mikroskopu. Dlatego początkowo mikroskopy kojarzyły się właśnie z medycyną i biologią: fizykami i chemikami, którzy badali znacznie mniejsze obiekty zarządzane innymi środkami. Gdy chcieli również przyjrzeć się mikrokosmosowi, ograniczenia dyfrakcyjne stały się poważnym problemem, zwłaszcza że opisane powyżej metody mikroskopii fluorescencyjnej były wciąż nieznane. A zwiększanie rozdzielczości z 500 do 100 nanometrów nie ma sensu, jeśli rozważany obiekt jest jeszcze mniejszy!
Wiedząc, że elektrony mogą zachowywać się zarówno jak fala, jak i cząstki, fizycy z Niemiec stworzyli w 1926 roku soczewkę elektronową. Idea leżąca u jej podstaw była bardzo prosta i zrozumiała dla każdego ucznia: ponieważ pole elektromagnetyczne odchyla elektrony, to za jego pomocą można zmienić kształt wiązki tych cząstek, wciągając je w różne strony lub odwrotnie, zmniejsz średnicę belki. Pięć lat później, w 1931 roku, Ernst Ruska i Max Knoll zbudowali pierwszy na świecie mikroskop elektronowy. W urządzeniu próbka została najpierw oświetlona wiązką elektronów, a następnie soczewka elektronowa rozszerzyła wiązkę, która przeszła, zanim spadła na specjalny ekran luminescencyjny. Pierwszy mikroskop dawał tylko 400-krotne powiększenie, ale zastąpienie światła elektronami utorowało drogę do fotografowania z powiększeniem setki tysięcy razy: projektanci musieli pokonać tylko kilka przeszkód technicznych.
Mikroskop elektronowy umożliwił zbadanie struktury komórek w jakości wcześniej nieosiągalnej. Ale z tego obrazu nie można zrozumieć wieku komórek i obecności w nich pewnych białek, a ta informacja jest bardzo potrzebna naukowcom.
Mikroskopy elektronowe umożliwiają teraz zbliżenia wirusów. Istnieją różne modyfikacje urządzeń, które pozwalają nie tylko prześwitywać cienkie sekcje, ale także rozpatrywać je w „odbitym świetle” (oczywiście w odbitych elektronach). Nie będziemy szczegółowo omawiać wszystkich opcji mikroskopów, ale zauważamy, że ostatnio naukowcy nauczyli się przywracać obraz ze wzoru dyfrakcyjnego.
Dotknij, nie patrz
Kolejna rewolucja nastąpiła kosztem dalszego odchodzenia od zasady „oświetl i zobacz”. Mikroskop sił atomowych oraz skaningowy mikroskop tunelowy nie świecą już na powierzchni próbek. Zamiast tego po powierzchni porusza się wyjątkowo cienka igła, która dosłownie odbija się nawet na wybojach wielkości pojedynczego atomu.
Nie wchodząc w szczegóły wszystkich takich metod, zauważamy najważniejsze: igłę mikroskopu tunelowego można nie tylko przesuwać po powierzchni, ale także używać do przestawiania atomów z miejsca na miejsce. W ten sposób naukowcy tworzą napisy, rysunki, a nawet bajki, w których narysowany chłopiec bawi się atomem. Prawdziwy atom ksenonu ciągnięty przez czubek skaningowego mikroskopu tunelowego.
Mikroskop tunelujący nazywa się, ponieważ wykorzystuje efekt tunelowania prądu przepływającego przez igłę: elektrony przechodzą przez szczelinę między igłą a powierzchnią ze względu na efekt tunelowania przewidywany przez mechanikę kwantową. To urządzenie wymaga próżni do działania.
Mikroskop sił atomowych (AFM) jest znacznie mniej wymagający w warunkach środowiskowych - może (z wieloma ograniczeniami) pracować bez pompowania powietrza. W pewnym sensie AFM jest nanotechnologicznym następcą gramofonu. Igła osadzona na cienkim i elastycznym wsporniku wspornikowym ( wspornik i jest „wspornik”), porusza się po powierzchni bez przykładania do niej napięcia i podąża za reliefem próbki w taki sam sposób, jak igła gramofonu porusza się wzdłuż rowków płyty gramofonowej. Wygięcie wspornika powoduje odchylenie zamocowanego na nim lustra, zwierciadło odchyla wiązkę laserową, co pozwala bardzo dokładnie określić kształt badanej próbki. Najważniejsze jest, aby mieć dość dokładny system przesuwania igły, a także zapas igieł, które muszą być idealnie ostre. Promień krzywizny na końcach takich igieł nie może przekraczać jednego nanometra.
AFM pozwala zobaczyć pojedyncze atomy i cząsteczki, ale podobnie jak mikroskop tunelowy nie pozwala zajrzeć pod powierzchnię próbki. Innymi słowy, naukowcy muszą wybierać między możliwością zobaczenia atomów a możliwością zbadania całego obiektu. Jednak nawet dla mikroskopów optycznych wnętrze badanych próbek nie zawsze jest dostępne, ponieważ minerały lub metale zwykle słabo przepuszczają światło. Dodatkowo nadal występują trudności z fotografowaniem atomów – obiekty te wyglądają jak zwykłe kule, kształt chmur elektronowych nie jest widoczny na takich zdjęciach.
Promieniowanie synchrotronowe, które pojawia się podczas zwalniania naładowanych cząstek rozpraszanych przez akceleratory, umożliwia badanie skamieniałych szczątków prehistorycznych zwierząt. Obracanie próbki pod promienie rentgenowskie, możemy uzyskać trójwymiarowe tomogramy - tak np. znaleziono mózg wewnątrz czaszki ryby, która wymarła 300 milionów lat temu. Możesz obejść się bez rotacji, jeśli rejestracja transmitowanego promieniowania polega na utrwaleniu promieni rentgenowskich rozproszonych z powodu dyfrakcji.
A to nie wszystkie możliwości, jakie otwierają promienie rentgenowskie. Pod wpływem napromieniowania wiele materiałów fluoryzuje, a skład chemiczny substancji można określić na podstawie charakteru fluorescencji: w ten sposób naukowcy barwią starożytne artefakty, wymazane w średniowieczu dzieła Archimedesa lub kolor piór dawno wymarłych ptaków.
Pozowanie atomów
Na tle wszystkich możliwości, jakie dają metody rentgenowskie czy optyczne, nowy sposób fotografowania pojedynczych atomów nie wydaje się już tak wielkim przełomem w nauce. Istota metody, która umożliwiła uzyskanie obrazów prezentowanych w tym tygodniu, jest następująca: elektrony wyrywane są ze zjonizowanych atomów i przesyłane do specjalnego detektora. Każdy akt jonizacji usuwa elektron z określonej pozycji i daje jeden punkt na „zdjęciu”. Po zgromadzeniu kilku tysięcy takich punktów naukowcy stworzyli obraz przedstawiający najbardziej prawdopodobne miejsca znalezienia elektronu wokół jądra atomu, który z definicji jest chmurą elektronową.
Podsumowując, powiedzmy, że zdolność widzenia pojedynczych atomów wraz z ich chmurami elektronowymi jest bardziej jak wisienka na torcie współczesnej mikroskopii. Dla naukowców ważne było badanie struktury materiałów, badanie komórek i kryształów, a rozwój technologii z tego wynikających umożliwił dotarcie do atomu wodoru. Cokolwiek mniej jest już sferą zainteresowania specjalistów fizyki cząstek elementarnych. A biolodzy, materiałoznawcy i geolodzy wciąż mają miejsce na ulepszanie mikroskopów nawet przy dość skromnym powiększeniu w porównaniu z atomami. Na przykład eksperci w dziedzinie neurofizjologii od dawna chcieli mieć urządzenie, które widzi pojedyncze komórki w żywym mózgu, a twórcy łazików sprzedaliby swoje dusze za mikroskop elektronowy, który zmieściłby się na pokładzie statku kosmicznego i mógłby pracować na Marsie.
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.
