Bildiğiniz gibi Evrende maddesel olan her şey atomlardan oluşur. Atom, özelliklerini taşıyan en küçük madde birimidir. Buna karşılık, bir atomun yapısı sihirli bir mikro parçacık üçlüsünden oluşur: protonlar, nötronlar ve elektronlar.
Ayrıca, mikropartiküllerin her biri evrenseldir. Yani dünyada iki farklı proton, nötron veya elektron bulamazsınız. Hepsi kesinlikle birbirine benzer. Ve atomun özellikleri, yalnızca atomun genel yapısındaki bu mikro parçacıkların nicel bileşimine bağlı olacaktır.
Örneğin, bir hidrojen atomunun yapısı bir proton ve bir elektrondan oluşur. Karmaşıklıkta sonraki helyum atomu iki proton, iki nötron ve iki elektrondan oluşur. Bir lityum atomu üç proton, dört nötron ve üç elektrondan vb. oluşur.
Atomların yapısı (soldan sağa): hidrojen, helyum, lityum
Atomlar moleküller halinde birleşir ve moleküller maddeler, mineraller ve organizmalar halinde birleşir. Tüm yaşamın temeli olan DNA molekülü, yolda duran taş gibi, evrenin aynı üç sihirli yapı taşından bir araya getirilmiş bir yapıdır. Bu yapı çok daha karmaşık olmasına rağmen.
Atom sisteminin oranlarına ve yapısına daha yakından bakmaya çalıştığımızda daha da şaşırtıcı gerçekler ortaya çıkıyor. Bir atomun bir çekirdekten ve bir küreyi tanımlayan bir yörünge boyunca hareket eden elektronlardan oluştuğu bilinmektedir. Yani, kelimenin olağan anlamıyla bir hareket bile denilemez. Elektron daha çok her yerde ve hemen bu kürenin içinde bulunur, çekirdeğin etrafında bir elektron bulutu oluşturur ve bir elektromanyetik alan oluşturur.
Atomun yapısının şematik gösterimleri
Bir atomun çekirdeği proton ve nötronlardan oluşur ve sistemin neredeyse tüm kütlesi onun içinde yoğunlaşmıştır. Ancak aynı zamanda, çekirdeğin kendisi o kadar küçüktür ki, yarıçapını 1 cm'lik bir ölçeğe çıkarırsanız, atomun tüm yapısının yarıçapı yüzlerce metreye ulaşacaktır. Bu nedenle, yoğun madde olarak algıladığımız her şey, yalnızca fiziksel parçacıklar arasındaki enerji bağlantılarının %99'undan fazlasını ve fiziksel formların %1'inden azını oluşturur.
Fakat bu fiziksel formlar nelerdir? Nelerden yapılmışlar ve ne kadar malzeme var? Bu soruları cevaplamak için protonların, nötronların ve elektronların yapılarına daha yakından bakalım. Böylece, mikro kozmosun derinliklerine - atom altı parçacıklar seviyesine - bir adım daha iniyoruz.
Elektron neyden yapılmıştır?
Bir atomun en küçük parçacığı elektrondur. Elektronun kütlesi vardır ama hacmi yoktur. Bilimsel görüşte elektron hiçbir şeyden oluşmaz, yapısız bir noktadır.
Bir elektron mikroskop altında görülemez. Sadece atom çekirdeğinin etrafında bulanık bir küre gibi görünen bir elektron bulutu şeklinde gözlenir. Aynı zamanda, elektronun bir anda nerede olduğunu kesin olarak söylemek mümkün değildir. Cihazlar parçacığın kendisini değil, sadece enerji izini yakalayabilir. Elektronun özü, madde kavramına gömülü değildir. Daha çok, yalnızca hareket içinde ve hareket yoluyla var olan boş bir biçim gibidir.
Elektronda henüz bir yapı bulunamamıştır. Enerji kuantumu ile aynı nokta parçacıktır. Aslında, bir elektron enerjidir, ancak bu, ışık fotonlarıyla temsil edilenden daha kararlı şeklidir.
Şu anda, elektron bölünmez olarak kabul edilir. Bu anlaşılabilir bir durumdur çünkü hacmi olmayan bir şeyi bölmek imkansızdır. Bununla birlikte, teoride, bir elektronun bileşiminin aşağıdaki gibi bir quasipartikül üçlüsü içerdiğine göre halihazırda gelişmeler vardır:
- Orbiton - elektronun yörünge konumu hakkında bilgi içerir;
- Spinon - dönüş veya torktan sorumlu;
- Holon - bir elektronun yükü hakkında bilgi taşır.
Ancak gördüğümüz gibi, yarı-parçacıkların madde ile kesinlikle hiçbir ortak yanı yoktur ve yalnızca bilgi taşırlar.
Elektron mikroskobunda farklı maddelerin atomlarının fotoğrafları
İlginç bir şekilde, bir elektron, ışık veya ısı gibi enerji kuantumlarını emebilir. Bu durumda atom yeni bir enerji düzeyine geçer ve elektron bulutunun sınırları genişler. Aynı zamanda, bir elektron tarafından emilen enerji o kadar büyüktür ki, atomik sistemin dışına atlayabilir ve bağımsız bir parçacık olarak hareketine devam edebilir. Aynı zamanda bir ışık fotonu gibi davranır, yani parçacık olmaktan çıkıp dalga özelliği göstermeye başlar. Bu bir deneyde kanıtlanmıştır.
Young'ın deneyi
Deney sırasında, içinde iki yarık bulunan bir ekrana bir elektron akışı yönlendirildi. Bu yarıklardan geçen elektronlar, başka bir projeksiyon ekranının yüzeyiyle çarpıştı ve üzerinde izlerini bıraktı. Elektronların bu "bombardıman"ının bir sonucu olarak, projeksiyon ekranında, parçacıkların değil de dalgaların iki yarıktan geçmesi durumunda ortaya çıkacak olana benzer bir girişim deseni belirdi.
Böyle bir model, iki yarık arasından geçen dalganın iki dalgaya bölünmesi nedeniyle oluşur. Daha fazla hareketin bir sonucu olarak, dalgalar birbiriyle örtüşür ve bazı alanlarda birbirlerini iptal ederler. Sonuç olarak, elektron bir parçacık gibi davranmış gibi, projeksiyon ekranında bir yerine birçok şerit elde ederiz.
Bir atomun çekirdeğinin yapısı: protonlar ve nötronlar
Protonlar ve nötronlar bir atomun çekirdeğini oluşturur. Ve toplam hacimde çekirdeğin% 1'den daha azını işgal etmesine rağmen, sistemin neredeyse tüm kütlesinin yoğunlaştığı bu yapıdadır. Ancak protonların ve nötronların yapısı pahasına, fizikçiler görüşte bölünmüş durumda ve şu anda aynı anda iki teori var.
- Teori #1 - Standart
Standart Model, protonların ve nötronların, bir gluon bulutuyla birbirine bağlanan üç kuarktan oluştuğunu söyler. Kuarklar, tıpkı kuantumlar ve elektronlar gibi nokta parçacıklardır. Ve gluonlar, kuarkların etkileşimini sağlayan sanal parçacıklardır. Bununla birlikte, doğada ne kuarklar ne de gluonlar bulunamadı, bu nedenle bu model ciddi eleştirilere maruz kalıyor.
- 2. Teori - Alternatif
Ancak Einstein tarafından geliştirilen alternatif birleşik alan teorisine göre, proton, nötron gibi, fiziksel dünyanın herhangi bir parçacığı gibi, ışık hızında dönen bir elektromanyetik alandır.
İnsan ve gezegenin elektromanyetik alanları
Atomun yapısının ilkeleri nelerdir?
Dünyadaki her şey - ince ve yoğun, sıvı, katı ve gazlı - Evrenin boşluğuna nüfuz eden sayısız alanın enerji halleridir. Alandaki enerji seviyesi ne kadar yüksek olursa, o kadar incedir ve daha az algılanır. Enerji seviyesi ne kadar düşükse, o kadar kararlı ve somuttur. Atomun yapısında ve Evrenin diğer herhangi bir biriminin yapısında, enerji yoğunluğunda farklı olan bu tür alanların etkileşimi yatmaktadır. Maddenin sadece zihnin bir yanılsaması olduğu ortaya çıktı.
Bir atom (Yunanca “bölünemez”), bir zamanlar mikroskobik boyutlardaki maddenin en küçük parçacığıdır, bir kimyasal elementin özelliklerini taşıyan en küçük parçasıdır. Atomun bileşenleri - protonlar, nötronlar, elektronlar - artık bu özelliklere sahip değildir ve onları birlikte oluşturur. Kovalent atomlar molekülleri oluşturur. Bilim adamları atomun özelliklerini incelerler ve zaten oldukça iyi çalışılmış olmalarına rağmen, özellikle yeni malzemeler ve yeni atomlar oluşturma alanında (periyodik tablonun devamı) yeni bir şey bulma fırsatını kaçırmazlar. Bir atomun kütlesinin %99,9'u çekirdektedir.
Başlık gözünüzü korkutmasın. Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı SLAC personeli tarafından yanlışlıkla oluşturulan kara delik, yalnızca bir atom boyutunda olduğu ortaya çıktı, bu nedenle hiçbir şey bizi tehdit etmiyor. Ve "kara delik" adı, araştırmacılar tarafından gözlemlenen fenomeni yalnızca uzaktan tanımlıyor. Size defalarca dünyanın en güçlü X-ray lazerinden bahsettik.
Bununla birlikte, atomun herhangi bir parçasını değil kendisini fotoğraflamak, en ileri teknoloji cihazlarla bile son derece zor bir işti.
Gerçek şu ki, kuantum mekaniği yasalarına göre, bir atom altı parçacığın tüm özelliklerini eşit derecede doğru bir şekilde belirlemek imkansızdır. Teorik fiziğin bu bölümü, bir parçacığın koordinatlarını ve momentumunu aynı doğrulukla ölçmenin imkansız olduğunu belirten Heisenberg belirsizlik ilkesi üzerine inşa edilmiştir - bir özelliğin doğru ölçümleri kesinlikle diğeriyle ilgili verileri değiştirecektir.
Bu nedenle, konumu (parçacık koordinatları) belirlemek yerine, kuantum teorisi sözde dalga fonksiyonunu ölçmeyi önerir.
Dalga işlevi, bir ses dalgasıyla hemen hemen aynı şekilde çalışır. Tek fark, bir ses dalgasının matematiksel tanımının havadaki moleküllerin belirli bir yerdeki hareketini belirlemesi ve dalga fonksiyonunun Schrödinger denklemine göre bir parçacığın bir yerde veya başka bir yerde görünme olasılığını tanımlamasıdır.
Dalga fonksiyonunu ölçmek de kolay değildir (doğrudan gözlemler onun çökmesine neden olur), ancak teorik fizikçiler değerlerini kabaca tahmin edebilirler.
Dalga fonksiyonunun tüm parametrelerini deneysel olarak ölçmek, ancak tamamen özdeş atom veya molekül sistemleri üzerinde gerçekleştirilen ayrı yıkıcı ölçümlerden toplanırsa mümkündür.
Hollandalı fizikçiler Araştırma Enstitüsü AMOLF, herhangi bir "yeniden oluşturma" gerektirmeyen yeni bir yöntem sundu ve çalışmalarının sonuçlarını Physical Review Letters dergisinde yayınladı. Metodolojileri, üç Sovyet teorik fizikçisinin 1981 hipotezine ve daha yeni araştırmalara dayanmaktadır.
Deney sırasında, bilim adamları ekibi, özel bir odaya yerleştirilmiş hidrojen atomlarına iki lazer ışını yöneltti. Böyle bir çarpma sonucunda elektronlar yörüngelerini dalga fonksiyonlarının belirlediği hızda ve yönde terk ettiler. Hidrojen atomlarının bulunduğu odadaki güçlü bir elektrik alanı, düzlemsel (düz) dedektörün belirli bölümlerine elektronlar gönderdi.
Detektöre çarpan elektronların konumu, odadaki konumlarına göre değil, başlangıç hızlarına göre belirlendi. Böylece elektronların dedektör üzerindeki dağılımı, bilim adamlarına bu parçacıkların hidrojen atomunun çekirdeği etrafındaki yörüngeden çıktıklarında sahip oldukları dalga fonksiyonu hakkında bilgi verdi.
Elektronların hareketleri, bilim adamlarının yüksek çözünürlüklü bir dijital kamera ile fotoğrafladığı, karanlık ve açık halkalar şeklinde fosforlu bir ekranda görüntülendi.
"Sonuçlarımızdan çok memnunuz. Kuantum mekaniğiİnsanların günlük yaşamlarıyla o kadar az ilgisi var ki, atomdaki kuantum etkileşimlerinin gerçek bir fotoğrafını çekmeyi neredeyse hiç kimse düşünmezdi” diyor araştırmanın baş yazarı Aneta Stodolna. pratik kullanımörneğin, bir atom kadar kalın iletkenler oluşturmak, modern elektronik cihazları önemli ölçüde geliştirecek olan moleküler tel teknolojisinin geliştirilmesi.
"Deneyin Evrenimizde hem en basit hem de en yaygın madde olan hidrojen üzerinde yapılmış olması dikkat çekici. Bu tekniğin daha karmaşık atomlara uygulanıp uygulanamayacağını anlamak gerekecek. Eğer öyleyse bu bir sadece elektronik değil, aynı zamanda nanoteknolojiyi de geliştirmemize izin verecek büyük bir atılım” diyor, araştırmaya dahil olmayan Ottawa Üniversitesi'nden Jeff Lundeen.
Ancak, deneyi yapan bilim adamlarının kendileri, konunun pratik tarafı hakkında düşünmüyorlar. Keşiflerinin öncelikle temel bilimle ilgili olduğuna inanıyorlar, bu da gelecek nesil fizikçilere daha fazla bilgi aktarmaya yardımcı olacak.
Day.Az, Vesti.ru'ya atıfta bulunarak, Amerika Birleşik Devletleri'nden fizikçiler bir fotoğrafta tek tek atomları rekor çözünürlükte yakalamayı başardılar.
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Cornell Üniversitesi'nden bilim adamları, yarım angstromdan (0.39 Å) daha düşük bir rekor çözünürlüğe sahip bir fotoğraftaki atomları tek tek yakalamayı başardılar. Önceki fotoğraflar yarı yarıya çözünürlüğe sahipti - 0.98 Å.
Atomları görebilen güçlü elektron mikroskopları yaklaşık yarım asırdır var, ancak çözünürlükleri, ortalama bir atomun çapından daha büyük olan görünür ışığın uzun dalga boyu ile sınırlıdır.
Bu nedenle, bilim adamları elektron mikroskoplarında görüntüyü odaklayan ve büyüten bir tür mercek analogu kullanırlar - bunlar bir manyetik alandır. Ancak manyetik alandaki dalgalanmalar sonucu bozar. Bozulmaları gidermek için, manyetik alanı düzelten, ancak aynı zamanda elektron mikroskobu tasarımının karmaşıklığını artıran ek cihazlar kullanılır.
Daha önce, Cornell Üniversitesi'ndeki fizikçiler, yerini almak üzere Elektron Mikroskop Piksel Dizisi Dedektörünü (EMPAD) geliştirdiler. Kompleks sistem Tek tek elektronlara duyarlı, 128x128 piksel çözünürlüğe sahip küçük bir matris ile gelen elektronları odaklayan jeneratörler. Her piksel elektron yansımasının açısını kaydeder; Bunu bilerek, pticography tekniğini kullanan bilim adamları, serbest bırakıldığı noktanın koordinatları da dahil olmak üzere elektronların özelliklerini yeniden yapılandırırlar.
En yüksek çözünürlükteki atomlar
David A. Muller ve ark. Doğa, 2018.
2018 yazında fizikçiler, elde edilen görüntülerin kalitesini bugüne kadar rekor kıran bir çözünürlüğe yükseltmeye karar verdiler. Bilim adamları, hareketli bir ışın üzerine bir 2D malzeme tabakası - molibden sülfür MoS2 - sabitlediler ve ışını elektron kaynağına farklı açılarda çevirerek elektron ışınlarını serbest bıraktılar. EMPAD ve pticography kullanarak bilim adamları, tek tek molibden atomları arasındaki mesafeleri belirlediler ve 0.39 Å kayıt çözünürlüğüne sahip bir görüntü elde ettiler.
Deneyin yazarlarından biri olan Sol Gruner (Sol Gruner), "Aslında dünyanın en küçük cetvelini yarattık" diye açıklıyor. Ortaya çıkan görüntüde, 0.39 Å rekor çözünürlüğe sahip kükürt atomlarını görmek mümkün oldu. Üstelik, böyle bir atomun eksik olduğu yeri (okla gösterilen) bile görmeyi başardık.
Rekor çözünürlükte kükürt atomları
Trurl atomları yakalamaya, elektronları onlardan kazımaya, sadece parmakları parlayacak şekilde protonları yoğurmaya başladı, bir proton hamuru hazırladı, etrafına elektronları yerleştirdi ve - bir sonraki atom için; Elinde bir külçe saf altın tutana kadar beş dakikadan az bir süre geçti: onu ağzına verdi, ama o, çubuğu dişinde tattıktan ve başını sallayarak şöyle dedi:
- Ve gerçekten de altın, ama böyle atomların peşine düşemem. ben çok büyüğüm
- Hiçbir şey, sana özel bir aparat vereceğiz! Trurl onu ikna etti.
Stanislav Lem, Cyberiad
Bir atomu mikroskopla görmek, başka bir atomdan ayırt etmek, bir kimyasal bağın yıkımını veya oluşumunu takip etmek, bir molekülün diğerine nasıl dönüştüğünü görmek mümkün müdür? Evet, basit bir mikroskop değil, atomik bir kuvvetse. Ve gözlemle sınırlı olamazsınız. Atomik kuvvet mikroskobunun mikro dünyaya açılan bir pencere olmaktan çıktığı bir zamanda yaşıyoruz. Bugün, bu alet atomları hareket ettirmek, kimyasal bağları kırmak, tek moleküllerin gerilme limitini incelemek ve hatta insan genomunu incelemek için kullanılabilir.
Xenon piksellerinden gelen harfler
Atomları düşünmek her zaman bu kadar kolay olmamıştı. Atomik kuvvet mikroskobunun tarihi, 1979'da, Zürih'teki IBM Araştırma Merkezi'nde çalışan Gerd Karl Binnig ve Heinrich Rohrer'in atomik çözünürlükle yüzeyleri incelemeye izin verecek bir araç yaratmaya başladıkları zaman başladı. Böyle bir cihaz bulmak için, araştırmacılar tünel geçiş etkisini kullanmaya karar verdiler - elektronların görünüşte aşılmaz engelleri aşma yeteneği. Buradaki fikir, tarama probu ile incelenen yüzey arasında meydana gelen tünelleme akımının gücünü ölçerek numunedeki atomların konumunu belirlemekti.
Binnig ve Rohrer başarılı oldular ve taramalı tünelleme mikroskobunun (STM) mucitleri olarak tarihe geçtiler ve 1986'da Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar. Taramalı tünelleme mikroskobu fizik ve kimyada gerçek bir devrim yarattı.
1990'da California'daki IBM Araştırma Merkezi'nde çalışan Don Eigler ve Erhard Schweitzer, STM'nin yalnızca atomları gözlemlemek için değil, onları manipüle etmek için de kullanılabileceğini gösterdi. Bir taramalı tünelleme mikroskobunun sondasını kullanarak, kimyagerlerin tek tek atomlarla çalışmaya geçişini simgeleyen belki de en popüler görüntüyü yarattılar - 35 ksenon atomlu nikel bir yüzeye üç harf boyadılar (Şekil 1).
Binnig defnelerine dayanmadı - alındığı yılda Nobel Ödülü yine IBM Zürih Araştırma Merkezi'nde Christopher Gerber ve Kelvin Quayt ile birlikte, mikro dünyayı incelemek için STM'nin doğasında bulunan eksikliklerden yoksun başka bir cihaz üzerinde çalışmaya başladı. Gerçek şu ki, bir tarama tünelleme mikroskobu yardımıyla dielektrik yüzeyleri incelemek imkansızdı, ancak sadece iletkenler ve yarı iletkenler ve ikincisini analiz etmek için bunlar ile mikroskop probu arasında önemli bir nadirlik yaratılması gerekiyordu. Binnig, Gerber ve Quait, yeni bir cihaz yaratmanın mevcut bir cihazı yükseltmekten daha kolay olduğunu fark ederek atomik kuvvet mikroskobu veya AFM'yi icat etti. Çalışma prensibi kökten farklıdır: yüzey hakkında bilgi elde etmek için, ölçülen mikroskop probu ile incelenen numune arasında meydana gelen mevcut güç değil, aralarında ortaya çıkan çekim kuvvetlerinin değeridir, yani, zayıf kimyasal olmayan etkileşimler - van der Waals kuvvetleri.
AFM'nin ilk çalışma modeli nispeten basitti. Araştırmacılar, esnek bir mikromekanik sensöre - bir altın folyo konsola (sonda ile atom arasında bir çekim oluşur, dirsek çekim kuvvetine bağlı olarak bükülür ve piezoelektriği deforme eder) bağlı bir elmas probu numunenin yüzeyi üzerinde hareket ettirdi. Konsolun bükülme derecesi, piezoelektrik sensörler kullanılarak belirlendi - benzer şekilde, bir vinil kaydın olukları ve çıkıntıları bir ses kaydına dönüştürülür. Atomik kuvvet mikroskobunun tasarımı, 10-18 Newton'a kadar çekici kuvvetleri tespit etmesine izin verdi. Çalışan bir prototipin oluşturulmasından bir yıl sonra, araştırmacılar 2.5 angstrom çözünürlükte grafit yüzey topografyasının bir görüntüsünü elde etmeyi başardılar.
O zamandan bu yana geçen otuz yılda AFM, seramik bir malzemenin yüzeyinden canlı hücrelere ve bireysel moleküllere kadar, hem statik hem de dinamik durumda neredeyse her kimyasal nesneyi incelemek için kullanıldı. Atomik kuvvet mikroskobu, kimyagerlerin ve malzeme bilimcilerinin beygir gücü haline geldi ve bu yöntemin kullanıldığı çalışmaların sayısı sürekli artıyor (Şekil 2).
Yıllar geçtikçe, araştırmacılar atomik kuvvet mikroskobu kullanarak nesnelerin hem temaslı hem de temassız çalışması için koşullar seçtiler. Yukarıda açıklanan temas yöntemi, konsol ve yüzey arasındaki van der Waals etkileşimine dayanmaktadır. Temassız modda çalışırken, piezovibratör prob salınımlarını belirli bir frekansta (çoğunlukla rezonans) uyarır. Yüzeyden etki eden kuvvet, prob salınımlarının hem genliğinin hem de fazının değişmesine neden olur. Temassız yöntemin bazı eksikliklerine rağmen (her şeyden önce, dış gürültüye duyarlılık), sondanın incelenen nesne üzerindeki etkisini dışlayan tam olarak bu yöntemdir ve bu nedenle kimyagerler için daha ilginçtir.
Sondalarda canlı, bağlantıları takip ediyor
Atomik kuvvet mikroskobu, Binnig'in öğrencisi Franz Josef Gissible'ın çalışması sayesinde 1998'de temassız hale geldi. Konsol olarak sabit frekanslı bir kuvars referans osilatörü kullanmayı öneren oydu. 11 yıl sonra, Zürih'teki IBM laboratuvarından araştırmacılar, temassız AFM'nin başka bir modifikasyonunu üstlendiler: prob sensörünün rolü keskin bir elmas kristali tarafından değil, bir molekül - karbon monoksit tarafından gerçekleştirildi. Bu, IBM'in Zürih bölümünden Leo Gross tarafından gösterildiği gibi, atom altı çözünürlüğe geçmeyi mümkün kıldı. 2009 yılında, AFM'nin yardımıyla, pentasen molekülü için oldukça açık ve net bir şekilde okunabilir bir “resim” elde ederek atomları değil, kimyasal bağları görünür hale getirdi (Şekil 3; Bilim, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
AFM ile kimyasal bağların görülebileceğine inanan Leo Gross, kimyasal yapıyı ve dolayısıyla maddelerin özelliklerini anlamak için anahtar parametreler olan bağ uzunluklarını ve sıralarını ölçmek için daha ileri gitmeye ve atomik kuvvet mikroskobu kullanmaya karar verdi.
Bağ düzenlerindeki farkın, iki atom arasındaki farklı elektron yoğunluklarını ve farklı atomlar arası mesafeleri gösterdiğini hatırlayın (basit bir ifadeyle, bir çift bağ, tek bir bağdan daha kısadır). Etanda karbon-karbon bağ sırası bir, etilende iki ve klasik aromatik molekül benzende, karbon-karbon bağ sırası birden büyük, ancak ikiden küçüktür ve 1.5 olarak kabul edilir.
Basit aromatik sistemlerden düzlemsel veya hacimli poli-yoğunlaştırılmış halka sistemlerine geçerken bağ sırasını belirlemek çok daha zordur. Bu nedenle, yoğunlaştırılmış beş ve altı üyeli karbon döngülerinden oluşan fullerenlerdeki bağların sırası, birden ikiye kadar herhangi bir değer alabilir. Aynı belirsizlik teorik olarak polisiklik aromatik bileşikler için de geçerlidir.
2012 yılında, Leo Gross, Fabian Mohn ile birlikte, karbon monoksit ile modifiye edilmiş metal temassız bir problu bir atomik kuvvet mikroskobunun, atomlar ve atomlar arası mesafeler arasındaki yük dağılımındaki farklılıkları - yani bağ düzeni ile ilişkili parametreleri ölçebileceğini gösterdi. ( Bilim, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Bunu yapmak için, fulleren'de iki tür kimyasal bağ üzerinde çalıştılar - iki altı üyeli karbon içeren C60 fulleren döngüsünde ortak olan bir karbon-karbon bağı ve beş ve altı üyeli için ortak olan bir karbon-karbon bağı. döngüler. Bir atomik kuvvet mikroskobu, altı üyeli halkaların yoğunlaşmasının, C6 ve C5 siklik fragmanlarının yoğunlaşmasından daha kısa ve daha yüksek sıralı bir bağ ile sonuçlandığını gösterdi. Altı tane daha C6 döngüsünün merkezi C6 döngüsünün etrafına simetrik olarak yerleştirildiği heksabenzokoronende kimyasal bağlanma özelliklerinin incelenmesi, bağlanma sırasının buna göre olduğu kuantum kimyasal modellemenin sonuçlarını doğruladı. N-N merkezi halkalar (Şekil 4'te harf i) bu halkayı çevresel döngülerle birleştiren bağlardan daha büyük olmalıdır (Şekil 4'te harf j). Dokuz altı üyeli halka içeren daha karmaşık bir polisiklik aromatik hidrokarbon için de benzer sonuçlar elde edildi.
Bağ düzenleri ve atomlar arası mesafeler elbette organik kimyacıların ilgisini çekiyordu, ancak kimyasal bağlar teorisi, reaktivite tahmini ve kimyasal reaksiyon mekanizmalarının incelenmesi ile uğraşanlar için daha önemliydi. Bununla birlikte, hem sentetik kimyagerler hem de doğal bileşiklerin yapısını inceleyen uzmanlar bir sürpriz içindeydi: Atomik kuvvet mikroskobunun, moleküllerin yapısını NMR veya IR spektroskopisi ile aynı şekilde oluşturmak için kullanılabileceği ortaya çıktı. Ayrıca, bu yöntemlerin üstesinden gelemediği sorulara net bir cevap verir.
Fotoğraftan sinemaya
2010 yılında, aynı Leo Gross ve Rainer Ebel, bir bakteriden izole edilmiş doğal bir bileşik - sefalandol A'nın yapısını açık bir şekilde kurmayı başardılar. Dermakok uçurum(Doğa Kimyası, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Sefalandol A'nın bileşimi daha önce kütle spektrometrisi kullanılarak belirlendi, ancak bu bileşiğin NMR spektrumlarının analizi, yapısı sorusuna açık bir cevap vermedi: dört varyant mümkündü. Bir atomik kuvvet mikroskobu kullanarak, araştırmacılar dört yapıdan ikisini hemen elediler ve AFM ve kuantum kimyasal modelleme yoluyla elde edilen sonuçları karşılaştırarak kalan ikisi arasında doğru seçimi yaptılar. Görevin zor olduğu ortaya çıktı: pentasen, fulleren ve koronenlerin aksine, sefalandol A sadece karbon ve hidrojen atomları içermiyor, ayrıca bu molekülün simetri düzlemi yok (Şekil 5) - ama bu problem de çözüldü.
Atomik kuvvet mikroskobunun analitik bir araç olarak kullanılabileceğine dair daha fazla doğrulama, daha sonra Osaka Üniversitesi Mühendislik Okulu'nda bulunan Oskar Kustanz grubundan geldi. AFM'yi kullanarak, birbirinden karbon ve hidrojenden çok daha az farklı olan atomları nasıl ayırt ettiğini gösterdi ( Doğa, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustanz, her bir elementin bilinen bir içeriğine sahip silikon, kalay ve kurşundan oluşan bir alaşımın yüzeyini araştırdı. Çok sayıda deney sonucunda, AFM probunun ucu ile farklı atomlar arasında ortaya çıkan kuvvetin farklı olduğunu bulmuştur (Şekil 6). Örneğin, en güçlü etkileşim silikon problanırken, en zayıf etkileşim ise kurşun problanırken gözlendi.
Gelecekte, tek tek atomların tanınması için atomik kuvvet mikroskobu sonuçlarının, NMR sonuçlarıyla aynı şekilde - bağıl değerlerin karşılaştırılmasıyla - işleneceği varsayılmaktadır. Sensör iğnesinin tam bileşimini kontrol etmek zor olduğundan, sensör ile çeşitli yüzey atomları arasındaki kuvvetin mutlak değeri, deneysel koşullara ve cihazın markasına bağlıdır, ancak herhangi bir bileşim ve şekil için bu kuvvetlerin oranı. sensör her kimyasal element için sabit kalır.
2013 yılında, kimyasal reaksiyonlardan önce ve sonra tek tek moleküllerin görüntülerini elde etmek için AFM kullanmanın ilk örnekleri ortaya çıktı: reaksiyonun ürünlerinden ve ara ürünlerinden bir "fotoset" oluşturulur ve daha sonra bir tür belgesel filme monte edilebilir ( Bilim, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Berkeley'deki California Üniversitesi'nden Felix Fisher ve Michael Crommie yüzeye gümüş uyguladılar. 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzen, molekülleri görüntüledi ve siklizasyonu başlatmak için yüzeyi ısıttı. Orijinal moleküllerin yarısı, kaynaşmış beş altı üyeli ve iki beş üyeli halkadan oluşan polisiklik aromatik yapılara dönüştü. Moleküllerin bir diğer çeyreği, bir dört üyeli döngü ve iki beş üyeli döngü ile bağlantılı dört altı üyeli döngüden oluşan yapılar oluşturdu (Şekil 7). Kalan ürünler oligomerik yapılar ve önemsiz bir miktarda polisiklik izomerlerdi.
Bu sonuçlar araştırmacıları iki kez şaşırttı. İlk olarak, reaksiyon sırasında sadece iki ana ürün oluştu. İkincisi, yapıları sürpriz yarattı. Fisher, kimyasal sezgi ve deneyimin onlarca olası reaksiyon ürünü çizmeyi mümkün kıldığını, ancak bunların hiçbirinin yüzeyde oluşan bileşiklere karşılık gelmediğini belirtiyor. Başlangıç maddelerinin substrat ile etkileşiminin, atipik kimyasal süreçlerin ortaya çıkmasına katkıda bulunması mümkündür.
Doğal olarak, kimyasal bağların incelenmesindeki ilk ciddi başarılardan sonra, bazı araştırmacılar daha zayıf ve daha az çalışılmış moleküller arası etkileşimleri, özellikle hidrojen bağını gözlemlemek için AFM'yi kullanmaya karar verdiler. Ancak bu alandaki çalışmalar yeni başlıyor ve sonuçları çelişkili. Bu nedenle bazı yayınlarda atomik kuvvet mikroskobunun hidrojen bağını gözlemlemeyi mümkün kıldığı bildirilmektedir ( Bilim, 2013, 342, 6158, 611-614, doi: 10.1126/science.1242603), diğerlerinde ise cihazın tasarım özelliklerinden dolayı bunların sadece yapay olduğunu ve deneysel sonuçların daha dikkatli yorumlanması gerektiğini savunuyorlar ( Fiziksel İnceleme Mektupları, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). Atomik kuvvet mikroskobu kullanarak hidrojen ve diğer moleküller arası etkileşimleri gözlemlemenin mümkün olup olmadığı sorusunun belki de nihai cevabı bu on yılda zaten elde edilecektir. Bunu yapmak için, AFM çözünürlüğünü en az birkaç kez artırmak ve gürültüsüz görüntülerin nasıl elde edileceğini öğrenmek gerekir ( Fiziksel İnceleme B, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).
Bir molekülün sentezi
Becerikli ellerde, hem STM hem de AFM, maddeyi inceleyebilen araçlardan, maddenin yapısını yönsel olarak değiştirebilen araçlara dönüştürülür. Bu cihazların yardımıyla, bir şişe yerine bir substratın kullanıldığı ve mol veya milimol reaktanlar yerine tek tek moleküllerin kullanıldığı "en küçük kimya laboratuvarları" elde etmek zaten mümkün olmuştur.
Örneğin, 2016 yılında, Takashi Kumagai liderliğindeki uluslararası bir bilim adamları ekibi, porfisen molekülünü formlarından birinden diğerine aktarmak için temassız atomik kuvvet mikroskobu kullandı ( Doğa Kimyası, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porphycene, iç döngüsü dört nitrojen atomu ve iki hidrojen atomu içeren porfirinin bir modifikasyonu olarak düşünülebilir. AFM probunun titreşimleri, bu hidrojenleri bir nitrojen atomundan diğerine aktarmak için porfisen molekülüne yeterli enerjiyi aktardı ve sonuç olarak bu molekülün bir “ayna yansıması” elde edildi (Şekil 8).
Yorulmak bilmeyen Leo Gross tarafından yönetilen grup ayrıca tek bir molekülün reaksiyonunu başlatmanın mümkün olduğunu gösterdi - dibromoantraseni on üyeli bir döngüsel diyine dönüştürdüler (Şekil 9; Doğa Kimyası, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Kumagai ve diğerlerinin aksine, molekülü aktive etmek için bir tarama tünelleme mikroskobu kullandılar ve reaksiyonun sonucu bir atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak izlendi.
Taramalı tünelleme mikroskobu ve atomik kuvvet mikroskobunun birlikte kullanılması, klasik teknikler ve yöntemler kullanılarak sentezlenemeyen bir molekülün elde edilmesini bile mümkün kılmıştır. Doğa Nanoteknoloji, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Bu triangülen, varlığı altmış yıl önce tahmin edilen, ancak tüm sentez girişimleri başarısız olan kararsız bir aromatik diradikaldir (Şekil 10). Niko Pavlicek grubundan kimyagerler, STM kullanarak öncüsünden iki hidrojen atomunu çıkararak ve AFM kullanarak sentetik sonucu onaylayarak istenen bileşiği elde ettiler.
Organik kimyada atomik kuvvet mikroskobu uygulamasına ayrılan çalışmaların sayısının artmaya devam edeceği varsayılmaktadır. Şu anda, giderek daha fazla bilim insanı, iyi bilinen "çözelti kimyası" olan reaksiyonun yüzeyinde tekrar etmeye çalışıyor. Ama belki de sentetik kimyagerler, AFM kullanılarak başlangıçta yüzeyde gerçekleştirilen bu reaksiyonları çözelti içinde yeniden üretmeye başlayacaklardır.
Cansızdan yaşamaya
Atomik kuvvet mikroskoplarının konsolları ve probları sadece analitik çalışmalar veya egzotik moleküllerin sentezi için değil, aynı zamanda uygulamalı problemlerin çözümü için de kullanılabilir. AFM'yi tıpta kullanma vakaları, örneğin kanserin erken teşhisi için zaten bilinmektedir ve burada öncü, atomik kuvvet mikroskobu ilkesini geliştirmede ve AFM'nin yaratılmasında parmağı olan aynı Christopher Gerber'dir.
Böylece Gerber, AFM'ye melanomda (biyopsi sonucu elde edilen materyal üzerinde) ribonükleik asidin nokta mutasyonunu belirlemeyi öğretmeyi başardı. Bunu yapmak için, bir atomik kuvvet mikroskobunun altın konsolu, RNA ile moleküller arası etkileşime girebilen oligonükleotitlerle modifiye edildi ve bu etkileşimin gücü, piezoelektrik etki nedeniyle hala ölçülebilir. AFM sensörünün hassasiyeti o kadar yüksek ki, popüler CRISPR-Cas9 genom düzenleme yönteminin etkinliğini incelemek için zaten kullanılıyor. Farklı kuşak araştırmacılar tarafından oluşturulan teknolojileri bir araya getirir.
Politik teorilerden birinin klasiğinin başka bir deyişle, atomik kuvvet mikroskobunun sınırsız olanaklarını ve tükenmezliğini zaten gördüğümüzü ve bu teknolojilerin daha da geliştirilmesiyle bağlantılı olarak ileride neler olacağını hayal bile edemediğimizi söyleyebiliriz. Ancak bugün bile taramalı tünelleme mikroskobu ve atomik kuvvet mikroskobu bize atomları görme ve onlara dokunma fırsatı veriyor. Bunun sadece atomların ve moleküllerin mikrokozmosuna bakmamızı sağlayan gözlerimizin bir uzantısı değil, aynı zamanda bu mikrokozmosa dokunabilen ve onu kontrol edebilen yeni gözler, yeni parmaklar olduğunu söyleyebiliriz.
