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. 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, bunlar arasında 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 (altın folyo konsola) bağlı bir elmas sondayı numunenin yüzeyi üzerinde hareket ettirdi (sonda ile atom arasında çekim meydana gelir, dirsek çekim kuvvetine bağlı olarak bükülür ve piezoelektriği deforme eder). 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 hekzabenzokoronende kimyasal bağlanma özelliklerinin incelenmesi, siparişe göre kuantum kimyasal modellemenin sonuçlarını doğruladı. C-C bağlantıları merkezi halka (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 yeterli enerjiyi porfiren molekülüne aktardı ve sonuç olarak bu molekülün bir “ayna görüntüsü” 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.
Yaşamamaktan yaşama
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 gelişmesiyle bağlantılı olarak ileride neler olduğunu 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.
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.
Bu fotoğrafta, bir elektronun bir atom etrafındaki yörüngelerinin ilk doğrudan görüntüsüne bakıyorsunuz - aslında, bir atomun dalga fonksiyonu!
Bir hidrojen atomunun yörünge yapısının fotoğrafını çekmek için araştırmacılar, bilim adamlarının kuantum fiziği alanına bakmalarına olanak tanıyan inanılmaz bir cihaz olan en son kuantum mikroskobunu kullandılar.
Bir atomdaki uzayın yörünge yapısı bir elektron tarafından işgal edilir. Ancak, maddenin bu mikroskobik özelliklerini tanımlarken bilim adamları, dalga fonksiyonlarına, parçacıkların kuantum durumlarını, yani uzayda ve zamanda nasıl davrandıklarını tanımlamanın matematiksel yollarına güvenirler.
Kural olarak, kuantum fiziğinde parçacıkların durumlarını tanımlamak için Schrödinger denklemi gibi formüller kullanılır.
Araştırmacıların önündeki engeller
Şimdiye kadar, bilim adamları dalga fonksiyonunu gerçekten hiç gözlemlemediler. Yalnız bir elektronun tam konumunu veya momentumunu yakalamaya çalışmak, bir sinek sürüsünü yakalamaya çalışmak gibiydi. Doğrudan gözlemler çok nahoş bir fenomen tarafından çarpıtıldı - kuantum tutarlılığı.
Tüm kuantum durumlarını ölçmek için, zaman içinde bir parçacığın durumlarının birçok ölçümünü yapabilen bir araca ihtiyacınız vardır.
Ama bir kuantum parçacığının zaten mikroskobik durumunu nasıl artırabilirim? Cevap, bir grup uluslararası araştırmacı tarafından bulundu. Kuantum mikroskobu ile, atomik yapıları doğrudan gözlemlemek için fotoiyonizasyon kullanan bir cihaz.
Hollanda'daki Moleküler Fizik Enstitüsü'nden (AMOLF) Aneta Stodolna, popüler Physical Review Letters dergisindeki makalesinde, kendisinin ve ekibinin statik bir elektrik alanına yerleştirilmiş bir hidrojen atomunun düğümsel elektron yörünge yapılarını nasıl elde ettiğini anlatıyor.
çalışma yöntemi
Lazer darbeleriyle ışınlamadan sonra, iyonize elektronlar yörüngelerini terk etti ve ölçülen yörünge boyunca bir 2D dedektöre düştü (çift mikro kanal plakası. Dedektör, alanın kendisine dik olarak yerleştirilmiştir). Elektronların dedektörle çarpışmadan önce gidebileceği birçok yörünge vardır. Bu, araştırmacılara, dalga fonksiyonunun düğüm yapısını yansıtan modeller olan bir dizi girişim deseni sağlar.
Araştırmacılar, giden elektron dalgasını 20.000 kattan fazla büyüten bir elektrostatik mercek kullandılar.
Elektron bulutlarını yakalayan hidrojen atomu. Ve modern fizikçiler, hızlandırıcıların yardımıyla bir protonun şeklini bile belirleyebilseler de, görünüşe göre hidrojen atomu, görüntüsü fotoğraf olarak adlandırmanın anlamlı olduğu en küçük nesne olarak kalacaktır. "Lenta.ru", mikro dünyayı fotoğraflamanın modern yöntemlerine genel bir bakış sunar.
Açıkçası, bu günlerde neredeyse sıradan bir fotoğraf kalmadı. Alışkanlıkla fotoğraf olarak adlandırdığımız ve örneğin herhangi bir Lenta.ru fotoğraf denemesinde bulunabilen görüntüler aslında bilgisayar modelleridir. Özel bir cihazdaki (geleneksel olarak hala "kamera" olarak adlandırılır) ışığa duyarlı bir matris, ışık yoğunluğunun birkaç farklı spektral aralıktaki uzamsal dağılımını belirler, kontrol elektroniği bu verileri dijital biçimde ve ardından başka bir elektronik devrede depolar. bu veriler üzerinde likit kristal göstergedeki transistörlere komut verir. Film, kağıt, işlenmesi için özel çözümler - tüm bunlar egzotik hale geldi. Ve kelimenin gerçek anlamını hatırlarsak, fotoğraf “ışıkla boyama”dır. Öyleyse bilim adamlarının başarılı olduğunu söylemek ne fotoğrafa bir atom, ancak makul bir miktarda konvansiyonellikle mümkündür.
Tüm astronomik görüntülerin yarısından fazlası uzun zamandır kızılötesi, ultraviyole ve X-ışını teleskopları tarafından çekilmiştir. Elektron mikroskopları ışıkla değil, bir elektron ışını ile ışınlanırken, atomik kuvvet mikroskopları numunenin kabartmasını bir iğne ile tarar. X-ışını mikroskopları ve manyetik rezonans görüntüleme tarayıcıları var. Tüm bu cihazlar bize çeşitli nesnelerin doğru görüntülerini verir ve elbette burada "ışıkla boyama" dan söz etmenin gerekli olmamasına rağmen, yine de bu tür görüntülere fotoğraf dememize izin veriyoruz.
Fizikçilerin bir protonun şeklini veya parçacıkların içindeki kuarkların dağılımını belirlemeye yönelik deneyleri perde arkasında kalacaktır; hikayemiz atom ölçeğiyle sınırlı olacak.
Optik asla eskimez
20. yüzyılın ikinci yarısında ortaya çıktığı gibi, optik mikroskopların hala gelişmesi için yer var. Biyolojik ve tıbbi araştırmalarda belirleyici bir an, floresan boyaların ve belirli maddelerin seçici olarak etiketlenmesine izin veren yöntemlerin ortaya çıkmasıydı. "Sadece yeni boya" değildi, gerçek bir devrimdi.
Yaygın yanlış anlamanın aksine, floresan karanlıkta parlama değildir (ikincisine lüminesans denir). Bu, belirli bir enerjinin (örneğin, mavi ışık) kuantalarının emilmesi ve ardından diğer daha düşük enerji kuantalarının emisyonu ve buna bağlı olarak farklı bir ışık (mavi emildiğinde, yeşil yayılacaktır) olgusudur. Yalnızca boyanın yaydığı kuantumun geçmesine izin veren ve floresansa neden olan ışığı engelleyen bir filtreye koyarsanız, parlak boya noktaları olan koyu bir arka plan görebilirsiniz ve boyalar da numuneyi son derece seçici bir şekilde renklendirebilir. .
Örneğin, hücre iskeletini boyayabilirsiniz. sinir hücresi kırmızı, sinapslar yeşil ve çekirdek mavidir. Belirli koşullar altında hücrenin sentezlediği zar veya moleküller üzerindeki protein reseptörlerini tespit etmenizi sağlayacak bir floresan etiket yapabilirsiniz. İmmünohistokimyasal boyama yöntemi biyolojik bilimde devrim yarattı. Genetik mühendisleri, floresan proteinlerle transgenik hayvanlar yapmayı öğrendiğinde, bu yöntem bir yeniden doğuş yaşadı: Örneğin, nöronları farklı renklere boyanmış fareler gerçek oldu.
Ek olarak, mühendisler konfokal mikroskopi denilen bir yöntem geliştirdiler (ve uyguladılar). Özü, mikroskobun çok ince bir katmana odaklanmasında ve özel bir diyaframın bu katmanın dışındaki nesnelerin oluşturduğu ışığı kesmesinde yatmaktadır. Böyle bir mikroskop, bir örneği yukarıdan aşağıya sırayla tarayabilir ve üç boyutlu bir model için hazır bir temel olan bir görüntü yığını elde edebilir.
Lazerlerin ve gelişmiş optik ışın kontrol sistemlerinin kullanılması, hassas biyolojik numunelerin parlak ışık altında boya solması ve kurutulması sorununu çözmeyi mümkün kılmıştır: lazer ışını numuneyi yalnızca görüntüleme için gerekli olduğunda tarar. Ve dar bir görüş alanına sahip bir mercek aracılığıyla büyük bir hazırlığı incelemek için zaman ve çaba harcamamak için, mühendisler otomatik bir tarama sistemi önerdiler: modern bir mikroskobun nesne aşamasına bir numune ile bir bardak koyabilirsiniz ve cihaz, numunenin tamamının büyük ölçekli bir panoramasını bağımsız olarak yakalayacaktır. Aynı zamanda, doğru yerlere odaklanacak ve ardından birçok kareyi birbirine yapıştıracaktır.
Bazı mikroskoplar canlı fareleri, sıçanları veya en azından küçük omurgasızları barındırabilir. Diğerleri hafif bir artış sağlar, ancak bir X-ray cihazı ile birleştirilir. Titreşim parazitini ortadan kaldırmak için birçoğu, dikkatle kontrol edilen bir mikro iklime sahip iç mekanlarda birkaç ton ağırlığındaki özel masalara monte edilmiştir. Bu tür sistemlerin maliyeti diğer elektron mikroskoplarının maliyetini aşıyor ve en güzel çerçeve için yarışmalar uzun zamandır bir gelenek haline geldi. Ek olarak, optiğin gelişimi devam ediyor: En iyi cam türlerinin araştırılmasından ve optimum lens kombinasyonlarının seçiminden mühendisler, ışığı odaklamanın yollarına geçtiler.
Biyolojik araştırmalardaki ilerlemenin uzun zamandır diğer alanlardaki ilerlemeyle ilişkili olduğunu göstermek için bir dizi teknik ayrıntıyı özel olarak listeledik. Birkaç yüz fotoğraftaki lekeli hücrelerin sayısını otomatik olarak sayabilen bilgisayarlar olmasaydı, süper mikroskopların pek faydası olmazdı. Ve floresan boyalar olmadan, milyonlarca hücrenin tümü birbirinden ayırt edilemez olurdu, bu nedenle yenilerinin oluşumunu veya eskilerinin ölümünü takip etmek neredeyse imkansız olurdu.
Aslında, ilk mikroskop, üzerine küresel bir lens takılmış bir kıskaçtı. Böyle bir mikroskobun bir analogu, içinde bir delik ve bir damla su bulunan basit bir oyun kartı olabilir. Bazı haberlere göre, bu tür cihazlar geçen yüzyılda Kolyma'daki altın madencileri tarafından kullanılıyordu.
Kırınım sınırının ötesinde
Optik mikroskopların temel bir dezavantajı vardır. Gerçek şu ki, dalga boyundan çok daha küçük olduğu ortaya çıkan bu nesnelerin şeklini ışık dalgalarının şeklinden eski haline getirmek mümkün değildir: Malzemenin ince dokusunu elinizle ince bir şekilde incelemeyi de deneyebilirsiniz. kalın kaynak eldiveni.
Kırınım tarafından yaratılan sınırlamalar, fizik yasalarını ihlal etmeden kısmen aşılmıştır. Optik mikroskopların kırınım bariyerinin altına dalmasına yardımcı olan iki durum vardır: floresans sırasında kuantaların tek tek boya molekülleri tarafından yayılması (birbirinden oldukça uzak olabilir) ve ışık dalgalarını üst üste bindirerek parlak bir ışık elde etmenin mümkün olması. dalga boyundan daha küçük bir çapa sahip nokta.
Işık dalgaları birbiri üzerine bindirildiğinde birbirini iptal edebilir, bu nedenle örneğin aydınlatma parametreleri, mümkün olan en küçük alan parlak bölgeye düşecek şekildedir. Örneğin gölgelenmeyi ortadan kaldırabilen matematiksel algoritmalarla birlikte, bu tür yönlü aydınlatma, görüntü kalitesinde çarpıcı bir gelişme sağlar. Örneğin, hücre içi yapıları optik bir mikroskopla incelemek ve hatta (açıklanan yöntemi konfokal mikroskopi ile birleştirerek) üç boyutlu görüntülerini elde etmek mümkün hale gelir.
Elektronik aletlerden önce elektron mikroskobu
Bilim adamlarının atomları ve molekülleri keşfetmek için onlara bakmaları gerekmiyordu - moleküler teorinin nesneyi görmesi gerekmiyordu. Ancak mikrobiyoloji ancak mikroskobun icadından sonra mümkün oldu. Bu nedenle, ilk başta, mikroskoplar tıp ve biyoloji ile tam olarak ilişkilendirildi: başka yollarla yönetilen çok daha küçük nesneleri inceleyen fizikçiler ve kimyagerler. Mikro kozmosa da bakmak istediklerinde, özellikle yukarıda açıklanan floresan mikroskopi yöntemleri hala bilinmediğinden, kırınım sınırlamaları ciddi bir sorun haline geldi. Ve eğer ele alınacak nesne daha da azsa, çözünürlüğü 500 nanometreden 100 nanometreye çıkarmanın pek bir anlamı yok!
Elektronların hem dalga hem de parçacık gibi davranabileceğini bilen Alman fizikçiler 1926'da bir elektron merceği yarattılar. Bunun altında yatan fikir, herhangi bir okul çocuğu için çok basit ve anlaşılabilirdi: elektromanyetik alan elektronları saptırdığından, o zaman onun yardımıyla bu parçacıkların ışın şeklini değiştirebilir, onları içine çekebilirsiniz. farklı taraflar veya tersine, kiriş çapını azaltın. Beş yıl sonra, 1931'de Ernst Ruska ve Max Knoll dünyanın ilk elektron mikroskobunu yaptılar. Cihazda, numune önce bir elektron ışını ile aydınlatıldı ve daha sonra elektron merceği, özel bir ışıldayan ekrana düşmeden önce içinden geçen ışını genişletti. İlk mikroskop sadece 400 kat büyütme sağladı, ancak ışığın elektronlarla yer değiştirmesi yüz binlerce kez büyütme ile fotoğraf çekmenin yolunu açtı: tasarımcıların yalnızca birkaç teknik engeli aşması gerekiyordu.
Elektron mikroskobu, hücrelerin yapısını daha önce erişilemeyen bir kalitede incelemeyi mümkün kıldı. Ancak bu resimden hücrelerin yaşını ve içlerinde belirli proteinlerin varlığını anlamak mümkün değildir ve bu bilgi bilim adamları için çok gereklidir.
Elektron mikroskopları artık virüslerin yakın plan fotoğraflarına izin veriyor. Yalnızca ince bölümlerden parlamaya değil, aynı zamanda onları "yansıyan ışıkta" (tabii ki yansıyan elektronlarda) dikkate almaya izin veren çeşitli cihaz modifikasyonları vardır. Mikroskoplar için tüm seçenekler hakkında ayrıntılı olarak konuşmayacağız, ancak son zamanlarda araştırmacıların bir kırınım modelinden bir görüntüyü nasıl geri yükleyeceğini öğrendiklerini not ediyoruz.
Dokun, görme
Başka bir devrim, "aydınlat ve gör" ilkesinden daha fazla uzaklaşma pahasına geldi. Atomik kuvvet mikroskobu ve taramalı tünelleme mikroskobu artık numunelerin yüzeyinde parlamamaktadır. Bunun yerine, özellikle ince bir iğne, yüzey boyunca hareket eder ve tek bir atom büyüklüğündeki tümseklerde bile kelimenin tam anlamıyla sıçrar.
Tüm bu yöntemlerin ayrıntılarına girmeden asıl şeyi not ediyoruz: tünelleme mikroskobunun iğnesi sadece yüzey boyunca hareket ettirilemez, aynı zamanda atomları bir yerden bir yere yeniden düzenlemek için de kullanılabilir. Bilim adamları, çizilmiş bir çocuğun atomla oynadığı yazıtları, çizimleri ve hatta karikatürleri bu şekilde oluşturur. Bir tarama tünelleme mikroskobunun ucu tarafından sürüklenen gerçek bir ksenon atomu.
İğneden akan tünelleme akımının etkisini kullandığı için tünelleme mikroskobu olarak adlandırılır: elektronlar, tahmin edilen etki nedeniyle iğne ile yüzey arasındaki boşluktan geçer. Kuantum mekaniği tünel etkisi. Bu cihazın çalışması için bir vakum gerekir.
Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) çevresel koşullar için çok daha az talepkardır - (bir takım sınırlamalarla) hava pompalama olmadan çalışabilir. Bir anlamda AFM, gramofonun nanoteknolojik halefidir. İnce ve esnek bir konsol braketine monte edilmiş bir iğne ( konsol ve bir “braket” vardır), yüzeye voltaj uygulamadan yüzey boyunca hareket eder ve gramofon iğnesinin bir gramofon kaydının olukları boyunca takip etmesi gibi numunenin kabartmasını takip eder. Konsolun bükülmesi, üzerine sabitlenen aynanın sapmasına neden olur, ayna lazer ışınını saptırır ve bu, incelenen numunenin şeklini çok doğru bir şekilde belirlemeyi mümkün kılar. Ana şey, iğneyi hareket ettirmek için oldukça doğru bir sisteme ve ayrıca mükemmel keskin olması gereken bir iğne kaynağına sahip olmaktır. Bu tür iğnelerin uçlarındaki eğrilik yarıçapı bir nanometreyi aşamaz.
AFM, tek tek atomları ve molekülleri görmenize izin verir, ancak tünelleme mikroskobu gibi, numunenin yüzeyinin altına bakmanıza izin vermez. Başka bir deyişle, bilim adamları atomları görebilmek ile tüm nesneyi inceleyebilmek arasında seçim yapmak zorundadır. Bununla birlikte, optik mikroskoplar için bile, incelenen numunelerin iç kısımlarına her zaman erişilebilir değildir, çünkü mineraller veya metaller genellikle ışığı zayıf bir şekilde iletir. Ek olarak, atomları fotoğraflamakta hala zorluklar var - bu nesneler basit toplar gibi görünüyor, bu tür görüntülerde elektron bulutlarının şekli görünmüyor.
Hızlandırıcılar tarafından dağıtılan yüklü parçacıkların yavaşlaması sırasında meydana gelen synchrotron radyasyonu, tarih öncesi hayvanların taşlaşmış kalıntılarını incelemeyi mümkün kılar. Numunenin altında döndürülmesi röntgen, üç boyutlu tomogramlar elde edebiliriz - örneğin, 300 milyon yıl önce soyu tükenmiş bir balığın kafatasının içinde beyin bu şekilde bulundu. İletilen radyasyonun kaydı, kırınım nedeniyle saçılan x-ışınlarını sabitleyerek ise döndürme olmadan yapabilirsiniz.
Ve bu, X-ışınlarının açtığı tüm olasılıklar değil. Bununla ışınlandığında, birçok malzeme flüoresans yapar ve bir maddenin kimyasal bileşimi flüoresansın doğası ile belirlenebilir: bu şekilde, bilim adamları eski eserleri, Orta Çağ'da silinen Arşimet'in eserlerini veya tüylerin rengini renklendirir. soyu tükenmiş kuşlardan.
atom pozlama
X-ışını veya optik flüoresans yöntemlerinin sağladığı tüm olanakların arka planına karşı, tek tek atomları fotoğraflamanın yeni bir yolu artık bilimde çok büyük bir atılım gibi görünmüyor. Bu hafta sunulan görüntülerin elde edilmesini mümkün kılan yöntemin özü şu şekildedir: iyonize atomlardan elektronlar koparılır ve özel bir dedektöre gönderilir. Her iyonlaşma eylemi, belirli bir konumdan bir elektronu soyar ve "foto" üzerinde bir nokta verir. Bu tür birkaç bin noktayı biriktiren bilim adamları, bir atomun çekirdeği etrafında bir elektron bulmak için en olası yerleri gösteren bir resim oluşturdular ve bu, tanımı gereği, bir elektron bulutudur.
Sonuç olarak, elektron bulutlarıyla tek tek atomları görme yeteneğinin modern mikroskopi pastasındaki bir kiraz gibi olduğunu söyleyelim. Bilim adamlarının malzemelerin yapısını incelemeleri, hücre ve kristalleri incelemeleri önemliydi ve bundan kaynaklanan teknolojilerin gelişmesi hidrojen atomuna ulaşmayı mümkün kıldı. Daha azı zaten temel parçacık fiziği uzmanlarının ilgi alanıdır. Ve biyologlar, malzeme bilimcileri ve jeologlar, atomlara kıyasla oldukça mütevazı bir büyütme ile bile mikroskopları geliştirmek için hala alana sahipler. Örneğin, nörofizyoloji uzmanları uzun zamandır canlı bir beynin içindeki tek tek hücreleri görebilen bir cihaza sahip olmak istiyorlardı ve gezicilerin yaratıcıları, bir uzay aracına sığacak ve Mars'ta çalışabilecek bir elektron mikroskobu için ruhlarını satacaktı.
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.
Çalışmanın baş yazarı Aneta Stodolna, "Sonuçlarımızdan çok memnunuz. Kuantum mekaniğinin insanların günlük yaşamlarıyla o kadar az ilgisi var ki, neredeyse hiç kimse atomdaki kuantum etkileşimlerinin gerçek bir fotoğrafını çekmeyi düşünmezdi" diyor. Ayrıca geliştirilen metodolojinin 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 çekicidir. Bu tekniğin daha karmaşık atomlara uygulanıp uygulanamayacağını anlamak gerekecektir. 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.
