Як відомо, все матеріальне у Всесвіті складається з атомів. Атом – це найдрібніша одиниця матерії, яка має її властивості. У свою чергу, структура атома складається з чарівної триєдності мікрочастинок: протонів, нейтронів та електронів.
При цьому кожна з мікрочастинок є універсальною. Тобто не знайти на світі двох різних протонів, нейтронів чи електронів. Усі вони абсолютно один на одного схожі. І властивості атома залежатимуть лише від кількісного складу цих мікрочастинок у спільній будові атома.
Наприклад, структура атома водню складається з одного протону та одного електрона. Наступний за складністю атом гелію складається з двох протонів, двох нейтронів і двох електронів. Атом літію — із трьох протонів, чотирьох нейтронів та трьох електронів тощо.
Структура атомів (зліва направо): водню, гелію, літію
Атоми з'єднуються в молекули, а молекули - в речовини, мінерали та організми. Молекула ДНК, що є основою всього живого - структура, зібрана з тих же трьох чарівних цеглин світобудови, що і камінь, що лежить на дорозі. Хоча ця структура і набагато складніша.
Ще дивовижніші факти відкриваються тоді, коли ми намагаємося ближче розглянути пропорції та будову атомної системи. Відомо, що атом складається з ядра та електронів, що рухаються навколо нього траєкторією, що описує сферу. Тобто це навіть не можна назвати рухом у звичайному розумінні цього слова. Електрон швидше знаходиться скрізь і відразу в межах цієї сфери, створюючи навколо ядра електронну хмару та формуючи електромагнітне поле.
Схематичні зображення будови атома
Ядро атома складається з протонів та нейтронів, і в ньому зосереджена майже вся маса системи. Але при цьому саме ядро настільки мало, що якщо збільшити його радіус до масштабу в 1 см, то радіус всієї структури атома досягне сотні метрів. Таким чином, усе, що ми сприймаємо як щільну матерію, більш ніж на 99% складається з одних лише енергетичних зв'язків між фізичними частинками і менш як 1% — із самих фізичних форм.
Але що є ці фізичні форми? З чого вони складаються і наскільки вони матеріальні? Щоб відповісти на ці питання, розглянемо докладніше структури протонів, нейтронів і електронів. Отже, ми спускаємось ще на одну сходинку у глибини мікросвіту – на рівень субатомних частинок.
З чого складається електрон
Найменша частка атома - електрон. Електрон має масу, але при цьому не має об'єму. У науковому поданні електрон ні з чого не складається, а є безструктурною точкою.
Під мікроскопом електрон неможливо побачити. Він спостерігається тільки у вигляді електронної хмари, яка виглядає як розмита сфера навколо атомного ядра. При цьому з точністю, де знаходиться електрон на момент часу, неможливо сказати. Прилади ж здатні сфотографувати не саму частинку, а лише її енергетичний слід. Суть електрона не вкладається у уявлення про матерію. Він скоріше подібний до певної порожній формі, що існує тільки в русі і за рахунок руху.
Жодної структури в електроні досі не було виявлено. Він є такою самою точковою частинкою, як і квант енергії. Фактично, електрон — і є енергія, проте це більш стійка її форма, ніж та, яка представлена фотонами світла.
На даний момент електрон вважають неподільним. Це зрозуміло, адже неможливо розділити те, що немає обсягу. Однак у теорії вже є напрацювання, згідно з якими у складі електрона лежить триєдність таких квазічастинок як:
- Орбітон – містить інформацію про орбітальне становище електрона;
- Спінон – відповідальний за спину або обертальний момент;
- Холон – несе інформацію про заряд електрона.
Втім, як бачимо, квазічастинки з матерією вже не мають абсолютно нічого спільного, і несуть у собі лише одну інформацію.
Фотографії атомів різних речовин в електронному мікроскопі.
Цікаво, що електрон може поглинати кванти енергії, наприклад світла або тепла. У цьому випадку атом переходить на новий енергетичний рівень, а межі електронної хмари розширюються. Буває й таке, що енергія, що поглинається електроном, настільки велика, що він може вискочити з системи атома, і далі продовжити свій рух як незалежна частка. При цьому він поводиться подібно до фотона світла, тобто, він ніби перестає бути часткою і починає проявляти властивості хвилі. Це було підтверджено в експерименті.
Експеримент Юнга
У ході експерименту на екран з двома щілинами, що прорізали в ньому, був направлений потік електронів. Проходячи через ці прорізи, електрони стикалися з поверхнею ще одного – проекційного – екрану, залишаючи на ньому свій слід. В результаті такого «бомбардування» електронами на проекційному екрані з'являлася інтерференційна картина, подібна до тієї, яка з'явилася б, якби через два прорізи проходили б хвилі, але не частинки.
Такий малюнок виникає через те, що хвиля, проходячи між двома щілинами, ділиться на дві хвилі. В результаті подальшого руху хвилі накладаються одна на одну, і на деяких ділянках відбувається їхнє взаємне гасіння. В результаті ми отримуємо багато смуг на проекційному екрані замість однієї, як це було б, якби електрон поводився як частка.
Структура ядра атома: протони та нейтрони
Протони та нейтрони становлять ядро атома. І при тому, що в загальному обсязі ядро займає менше ніж 1%, саме в цій структурі зосереджена майже вся маса системи. А ось щодо структури протонів і нейтронів фізики розділилися в думках, і на даний момент існує відразу дві теорії.
- Теорія №1 - Стандартна
Стандартна модель говорить про те, що протони та нейтрони складаються з трьох кварків, з'єднаних між собою хмарою глюонів. Кварки є точковими частинками, так само, як кванти та електрони. А глюони – це віртуальні частки, які забезпечують взаємодію кварків. Однак у природі не було знайдено ні кварків, ні глюонов, тому ця модель піддається жорстокої критики.
- Теорія №2 - Альтернативна
А ось по альтернативній теорії єдиного поля, розробленої Ейнштейном, протон, як і нейтрон, як і будь-яка інша частка фізичного світу, являє собою електромагнітне поле, що обертається зі швидкістю світла.
Електромагнітні поля людини та планети
Які ж принципи будови атома?
Все у світі – тонке і щільне, рідке, тверде та газоподібне – це лише енергетичні стани незліченних полів, що пронизують простір Всесвіту. Чим вище рівень енергії в полі, тим воно тонше і менш вловиме. Чим нижчий енергетичний рівень, тим він більш стійкий і відчутний. У структурі атома, як і структурі будь-якої іншої одиниці Всесвіту, лежить взаємодія таких полів – різних за енергетичною щільністю. Виходить, а матерія – лише ілюзія розуму.
Атом (від грецьк. «неподільний») - колись дрібна частка речовини мікроскопічних розмірів, найменша частина хімічного елемента, яка носить його властивості. Складові атома - протони, нейтрони, електрони - цих властивостей не мають і утворюють в сукупності. Ковалентні атоми утворюють молекули. Вчені вивчають особливості атома, і хоча вони вже досить непогано вивчені, не втрачають можливості знайти щось нове - зокрема, у галузі створення нових матеріалів та нових атомів (що продовжують таблицю Менделєєва). 99,9% маси атома посідає ядро.
Не лякайтеся заголовка. Чорна діра, випадково створена співробітниками Національної прискорювальної лабораторії SLAC, вийшла розміром лише з один атом, тож нам ніщо не загрожує. Та й назва «чорна діра» лише віддалено описує феномен, що спостерігається дослідниками. Ми неодноразово розповідали вам про найпотужніший у світі рентгенівський лазер, що має назву
Однак сфотографувати сам атом, а не якусь його частину представлялося вкрай важким завданням навіть при використанні високотехнологічних пристроїв.
Справа в тому, що згідно з законами квантової механіки неможливо однаково точно визначити всі властивості субатомної частки. Цей розділ теоретичної фізики побудований за принципом невизначеності Гейзенберга, який свідчить, що неможливо однаково точно виміряти координати та імпульс частинки - точні виміри однієї властивості неодмінно змінять дані про інше.
Тому, замість визначати місцезнаходження (координати частки), квантова теорія пропонує виміряти так звану хвильову функцію .
Хвильова функція працює майже так само, як і звукова хвиля. Відмінність лише тому, що математичне опис звукової хвилі визначає рух молекул у повітрі у певному місці, а хвильова функція визначає можливість появи частки у тому чи іншому місці за рівнянням Шредінгера .
Виміряти хвильову функцію також непросто (прямі спостереження призводять до її колапсу), але фізики-теоретики можуть передбачити її значення.
Експериментально виміряти всі параметри хвильової функції можна тільки в тому випадку, якщо зібрати її з окремих руйнівних вимірів, проведених повністю ідентичних системах атомів або молекул.
Фізики з голландської дослідницького інституту AMOLF представили новий метод, який не вимагає жодних "перебудов", і опублікували результати своєї роботи в журналі Physical Review Letters. Їх методика побудована на гіпотезі 1981 трьох радянських фізиків-теоретиків, а також на пізніших дослідженнях.
У ході експерименту команда вчених направила два лазерні промені на атоми водню, поміщені в спеціальну камеру. Внаслідок такого впливу електрони залишили свої орбіти з тією швидкістю і в тому напрямку, що визначалися їх хвильовими функціями. Сильне електричне поле камері, де знаходилися атоми водню, направило електрони на певні частини планарного (плоського) детектора.
Положення електронів, що потрапляють на детектор, визначалося їхньою початковою швидкістю, а не позицією в камері. Таким чином, розподіл електронів на детекторі розповів вченим про хвильову функцію цих частинок, яка була у них, коли вони залишили орбіту біля ядра атома водню.
Рухи електронів відображалися на фосфоресцентному екрані у вигляді темних та світлих кілець, які вчені сфотографували цифровою камерою з високою роздільною здатністю.
Ми дуже задоволені нашими результатами. Квантова механікатак мало має справу з повсякденним життям людей, що навряд чи хтось міг подумати про отримання реального фотознімку квантових взаємодій в атомі", - говорить провідний автор дослідження Анета Стодолна (Aneta Stodolna). Також вона стверджує, що розроблена методика може мати і практичне застосування, наприклад, до створення провідників товщиною в атом, розвитку технології молекулярних проводів, що значно удосконалить сучасні електронні прилади.
"Примітно, що експеримент був проведений саме на водні — одночасно найпростішій і найпоширенішій речовині у нашому Всесвіті. Потрібно буде зрозуміти, чи можна застосувати цю методику для складніших атомів. Якщо так, то це великий прорив, який дозволить розвинути не лише електроніку, але й нанотехнології", - каже Джеф Ландін (Jeff Lundeen) з університету Оттави, який не брав участі у дослідженні.
Втім, вчені, які проводили експеримент, не замислюються про практичну сторону питання. Вони вважають, що їхнє відкриття насамперед належить до фундаментальної науки, яка допоможе передати більше знань майбутнім поколінням фізиків.
Фізикам із США вдалося відобразити на фото окремі атоми з рекордним дозволом, передає Day.Az з посиланням на Vesti.ru.
Вченим із Корнеллського університету в США вдалося зафіксувати на фото окремі атоми з рекордним дозволом - менше половини ангстрему (0,39 Å). Попередні фотографії мали вдвічі низьку роздільну здатність - 0,98 Å.
Потужні електронні мікроскопи, здатні побачити атоми, існують вже півстоліття, проте їх роздільна здатність обмежена довгою хвилі видимого світла, яка більша за діаметр атома середньої величини.
Тому вчені використовують якийсь аналог лінз, що фокусують і збільшують зображення в електронних мікроскопах – ним виступає магнітне поле. Однак коливання магнітного поля спотворюють отриманий результат. Щоб усунути спотворення, використовують додаткові пристрої, які коригують магнітне поле, але разом з тим збільшують складність конструкції електронного мікроскопа.
Раніше фізики з Корнеллського університету розробили пристрій Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD), що замінює складну системугенераторів, що фокусують вхідні електрони однією невеликою матрицею з роздільною здатністю 128х128 пікселів, чутливих до окремих електронів. Кожен піксель реєструє кут відбиття електрона; знаючи його, вчені за допомогою техніки птайкографії реконструюють характеристики електронів, включаючи координати точки, звідки він був випущений.
Атоми у найбільшому дозволі
David A. Muller та ін. Nature, 2018 року.
Влітку 2018 року фізики вирішили покращити якість одержуваних знімків до рекордного до сьогоднішнього дня дозволу. Вчені закріпили на рухомий балці лист 2D матеріалу - сульфіду молібдену MoS2 і випустили пучки електронів, повертаючи балку під різними кутами до джерела електронів. За допомогою EMPAD та птайкографії вчені визначили відстані між окремими атомами молібдену та отримали зображення з рекордною роздільною здатністю - 0,39 Å.
"Практично ми створили найменшу у світі лінійку", - пояснює Сол Грюнер (Sol Gruner), один із авторів експерименту. На отриманому знімку вдалося розглянути атоми сірки з рекордною роздільною здатністю 0,39 Å. Причому навіть вдалося розглянути місце, де одного такого атома не вистачає (вказано стрілочкою).
Атоми сірки у рекордному дозволі
Взявся Трурль ловити атоми, зіскоблювати з них електрони, місити протони, так що лише пальці миготіли, приготував протонне тісто, виклав навколо нього електрони і - за наступний атом; не минуло й п'яти хвилин, як тримав він у руках брусочок чистого золота: подав його морді, вона ж, на зуб брусочок спробувавши і головою кивнувши, сказала:
- І справді золото, тільки я не можу так за атомами ганятися. Занадто я великий.
- Нічого, ми дамо тобі особливий апарат! - умовляв його Трурль.
Станіслав Лем, «Кіберіада»
Чи можна за допомогою мікроскопа розглянути атом, відрізнити його від іншого атома, простежити за руйнуванням або утворенням хімічного зв'язку та побачити, як одна молекула перетворюється на іншу? Так, якщо це не простий мікроскоп, а атомно-силовий. А можна й не обмежуватись спостереженням. Ми живемо в той час, коли атомно-силовий мікроскоп перестав бути просто вікном у мікросвіт. Сьогодні цей прилад можна використовувати для переміщення атомів, руйнування хімічних зв'язків, вивчення межі розтягування одиночних молекул і навіть для дослідження геному людини.
Літери з ксенонових пікселів
Розглянути атоми не завжди було так легко. Історія атомно-силового мікроскопа почалася в 1979 році, коли Герд Карл Бінніг і Генріх Рорер, які працювали в Дослідницькому центрі компанії IBM в Цюріху, почали створення приладу, який дозволив би вивчати поверхні з атомним дозволом. Щоб вигадати такий пристрій, дослідники вирішили використати ефект тунельного переходу - здатність електронів долати, здавалося б, непрохідні бар'єри. Ідея полягала в тому, щоб, вимірюючи силу тунельного струму, що виникає між скануючим зондом і поверхнею, що вивчається, визначати положення атомів у зразку.
У Бінніга і Рорера вийшло, і вони увійшли в історію як винахідники скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), а в 1986 отримали Нобелівську премію з фізики. Скануючий тунельний мікроскоп здійснив справжню революцію у фізиці та хімії.
У 1990 році Дон Айглер та Ерхард Швайцер, які працювали в дослідному центрі IBM у Каліфорнії, показали, що СТМ можна застосовувати не тільки для спостереження за атомами, але і для маніпулювання ними. За допомогою зонда скануючого тунельного мікроскопа вони створили, можливо, найпопулярніший образ, що символізує перехід хіміків до роботи з окремими атомами - намалювали на нікелевій поверхні три літери 35 ксенону атомами (рис. 1).
Бінніг не став спочивати на лаврах - у рік отримання Нобелівської преміїРазом з Крістофером Гербером і Кельвіном Куэйтом, також які працювали в Цюріхському дослідному центрі IBM він почав роботу над ще одним пристроєм вивчення мікросвіту, позбавленого недоліків, властивих СТМ. Справа в тому, що за допомогою скануючого тунельного мікроскопа не можна було вивчати діелектричні поверхні, а тільки провідники та напівпровідники, та й для аналізу останніх між ними та зондом мікроскопа потрібно було створити значне розрідження. Зрозумівши, що створити новий пристрій простіше, ніж модернізувати існуюче, Бінніг, Гербер і Куейт винайшли атомно-силовий мікроскоп або АСМ. Принцип його роботи кардинально інший: для отримання інформації про поверхню вимірюють не силу струму, що виникає між зондом мікроскопа і досліджуваним зразком, а значення сил тяжіння, що виникають між ними, тобто слабких нехімічних взаємодій - сил Ван-дер-Ваальса.
Першу робочу модель АСМ було влаштовано порівняно просто. Дослідники переміщали над поверхнею зразка алмазний зонд, пов'язаний з гнучким мікромеханічним датчиком - кантилевером із золотої фольги (між зондом і атомом виникає тяжіння, кантилевер гнеться залежно від сили тяжіння та деформує п'єзоелектрик). Ступінь вигину кантилевера визначалася за допомогою п'єзоелектричних датчиків - подібним чином канавки та гребені вінілової пластинки перетворюються на аудіозапис. Конструкція атомно-силового мікроскопа дозволяла йому детектувати сили тяжіння до 10 -18 ньютонів. Через рік після створення робочого прототипу дослідникам вдалося отримати зображення рельєфу поверхні графіту з роздільною здатністю 2,5 ангстрема.
За три десятки років, що минули з тих пір, АСМ використовували для вивчення практично будь-яких хімічних об'єктів - від поверхні керамічного матеріалу до живих клітин та окремих молекул, причому як у статичному, так і динамічному стані. Атомно-силова мікроскопія стала робочою конячкою хіміків та матеріалознавців, а кількість робіт, у яких застосовується цей метод, постійно зростає (рис. 2).
За ці роки дослідники підібрали умови і для контактного, і для безконтактного вивчення об'єктів за допомогою атомно-силової мікроскопії. Контактний метод описаний вище, він заснований на вандерваальсової взаємодії між кантилевером та поверхнею. Працюючи в безконтактному режимі пьезовибратор збуджує коливання зонда певною частотою (найчастіше резонансної). Сила, що діє з боку поверхні, призводить до того, що амплітуда і фаза коливань зонда змінюються. Незважаючи на деякі недоліки безконтактного методу (насамперед чутливість до зовнішніх шумів), саме він виключає вплив зонда на об'єкт, що досліджується, а значить, цікавіше для хіміків.
Живо по зондах, наздоганяючи зв'язки
Безконтактною атомно-силова мікроскопія стала у 1998 році завдяки роботам учня Бінніга – Франца Йозефа Гіссібла. Саме він запропонував використовувати як кантилевер кварцовий еталонний генератор стабільної частоти. Через 11 років дослідники з лабораторії IBM в Цюріху розпочали ще одну модифікацію безконтактного АСМ: роль зонда-сенсора виконував не гострий кристал алмазу, а одна молекула – монооксид вуглецю. Це дозволяло перейти до субатомного дозволу, що продемонстрував Лео Гросс із цюріхського відділу IBM. У 2009 році за допомогою АСМ він зробив видимими вже не атоми, а хімічні зв'язки, отримавши досить чітку та однозначно читану «картинку» для молекули пентацену (рис. 3; Science, 2009, 325, 5944, 1110-1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Переконавшись, що за допомогою АСМ можна побачити хімічний зв'язок, Лео Гросс вирішив піти далі та застосувати атомно-силовий мікроскоп для вимірювання довжин та порядків зв'язків – ключових параметрів для розуміння хімічної структури, а отже, і властивостей речовин.
Нагадаємо, що відмінність у порядках зв'язків вказує на різні значення електронної щільності та різні міжатомні відстані між двома атомами (говорячи простіше, подвійний зв'язок коротший за одинарний). В етані порядок зв'язку вуглець-вуглець дорівнює одиниці, в етилені - двом, а в класичній ароматичній молекулі - бензолі - порядок зв'язку вуглець-вуглець більше одиниці, але менше двох, і вважається рівним 1,5.
Визначити порядок зв'язку набагато складніше при переході від простих ароматичних систем до плоских або об'ємних циклічних циклів. Так, порядок зв'язків у фулеренах, що складаються з конденсованих п'яти-і шестичленних вуглецевих циклів, може набувати будь-якого значення від одиниці до двох. Та сама невизначеність теоретично властива і поліциклічним ароматичним сполукам.
У 2012 році Лео Гросс спільно з Фабіаном Моном показав, що атомно-силовий мікроскоп з металевим безконтактним зондом, модифікованим монооксидом вуглецю, може вимірювати відмінності у розподілі зарядів у атомів та міжатомні відстані - тобто параметри, асоційовані з порядком зв'язку ( Science, 2012, 337, 6100, 1326-1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Для цього вони вивчили два типи хімічних зв'язків у фулерені - зв'язок вуглець-вуглець, загальний для двох шестичленних вуглецевмісних циклів фулерену С 60 і зв'язок вуглець-вуглець, загальний для п'яти- і шестичленного циклів. Атомно-силовий мікроскоп показав, що при конденсації шестичленних циклів утворюється зв'язок коротший і з більшим порядком, ніж при конденсації циклічних фрагментів C 6 і C 5 . Вивчення особливостей хімічного зв'язування в гексабензокоронені, де навколо центрального циклу C 6 симетрично розташовано ще шість циклів C 6 , підтвердило результати квантово-хімічного моделювання, згідно з якими порядок зв'язків С-С центральногокільця (на рис. 4 літера i) має бути більше, ніж у зв'язків, що поєднують це кільце з периферійними циклами (на рис. 4 літера j). Подібні результати отримали і для складнішого поліциклічного ароматичного вуглеводню, що містить дев'ять шестичленних циклів.
Порядки зв'язків та міжатомні відстані, звичайно ж, цікавили хіміків-органіків, але важливіше це було тим, хто займався теорією хімічного зв'язку, передбаченням реакційної здатності та вивченням механізмів хімічних реакцій. Тим не менш і хіміків-синтетиків, і фахівців з вивчення структури природних сполук чекав сюрприз: виявилося, що атомно-силовий мікроскоп можна застосовувати для встановлення структури молекул так само, як ЯМР або ІЧ-спектроскопію. Більше того, він дає однозначну відповідь на питання, з якими ці методи не в змозі впоратися.
Від фотографії до кінематографу
У 2010 році той самий Лео Гросс і Райнер Ебел змогли однозначно встановити будову природної сполуки - цефаландолу А, виділеного з бактерії. Dermacoccus abyssi(Nature Chemistry, 2010, 2, 821-825, doi: 10.1038/nchem.765). Склад цефаландолу А встановили раніше за допомогою мас-спектрометрії, проте аналіз спектрів ЯМР цієї сполуки не давав однозначної відповіді на питання про його структуру: можливі чотири варіанти. За допомогою атомно-силового мікроскопа дослідники відразу ж виключили дві з чотирьох структур, а з двох правильний вибір, що залишилися, зробили, порівнявши результати, отримані завдяки АСМ і квантово-хімічному моделюванню. Завдання виявилося непростим: на відміну від пентацену, фулерену та короненів, до складу цефаландолу А входять не тільки атоми вуглецю та водню, крім того, у цієї молекули немає площини симетрії (рис. 5) – але й таке завдання вдалося вирішити.
Ще одне підтвердження того, що атомно-силовий мікроскоп можна використовувати як аналітичний інструмент, отримали у групі Оскара Кустанца, який на той час працював в інженерній школі Університету Осаки. Він показав, як за допомогою АСМ розрізнити атоми, що відрізняються один від одного набагато менше, ніж вуглець і водень. Nature, 2007, 446, 64-67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц досліджував поверхню сплаву, що складається з кремнію, олова та свинцю з відомим вмістом кожного елемента. В результаті численних експериментів він з'ясував, що сила, що виникає між вістрям зонда АСМ та різними атомами, відрізняється (рис. 6). Так, наприклад, найсильніша взаємодія спостерігалося при зондуванні кремнію, а найслабше - при зондуванні свинцю.
Передбачається, що у подальшому результати атомно-силовой мікроскопії для розпізнавання окремих атомів будуть оброблятися як і, як результати ЯМР, - порівняно відносних величин. Оскільки точний склад голки датчика важко контролювати, абсолютне значення сили між датчиком і різними атомами поверхні залежить від умов експерименту та марки пристрою, а от відношення цих сил при будь-якому складі та формі датчика залишається постійним для кожного хімічного елемента.
У 2013 році з'явилися перші приклади використання АСМ для отримання зображень окремих молекул до і після хімічних реакцій: створюється «фотосет» із продуктів та напівпродуктів реакції, який потім можна змонтувати свого роду документальний фільм ( Science, 2013, 340, 6139, 1434-1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Фелікс Фішер та Майкл Кроммі з Університету Каліфорнії в Берклі нанесли на поверхню срібла 1,2-біс[(2-етинілфеніл)етиніл]бензолотримали зображення молекул і нагріли поверхню, щоб ініціювати циклізацію. Половина вихідних молекул перетворилася на поліциклічні ароматичні структури, що складаються з конденсованих п'яти шестичленних та двох п'ятичленних циклів. Ще чверть молекул утворила структури, що складаються з чотирьох шестичленних циклів, пов'язаних через один чотиричленний цикл, та двох п'ятичленних циклів (рис. 7). Іншими продуктами були олігомерні структури та, у незначній кількості, поліциклічні ізомери.
Такі результати двічі здивували дослідників. По-перше, у ході реакції утворилося лише два основних продукти. По-друге, здивування викликала їхня структура. Фішер зазначає, що хімічна інтуїція та досвід дозволяли намалювати десятки можливих продуктів реакції, проте жоден із них не відповідав тим сполукам, які утворювалися на поверхні. Можливо, перебігу нетипових хімічних процесів сприяла взаємодія вихідних речовин із підкладкою.
Природно, що після перших серйозних успіхів у вивченні хімічних зв'язків, деякі дослідники вирішили застосувати АСМ для спостереження слабших і менш вивчених міжмолекулярних взаємодій, зокрема водневого зв'язку. Однак у цій галузі роботи ще тільки починаються, а результати їх суперечливі. Так, в одних публікаціях повідомляється, що атомно-силова мікроскопія дозволила спостерігати водневий зв'язок. Science, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), в інших стверджують, що це лише артефакти, обумовлені конструкційними особливостями приладу, а експериментальні результати потрібно інтерпретувати акуратніше ( Physical Review Letters, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Можливо, остаточну відповідь на питання, чи можна спостерігати водневі та інші міжмолекулярні взаємодії за допомогою атомно-силової мікроскопії, буде отримано вже цього десятиліття. Для цього необхідно ще хоча б у кілька разів підвищити дозвіл АСМ та навчитися отримувати зображення без перешкод ( Physical Review B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).
Синтез однієї молекули
У вмілих руках і СТМ і АСМ перетворюються з приладів, здатних вивчати речовину, прилади, здатні спрямовано змінювати будову речовини. За допомогою цих пристроїв вже вдалося отримати «найменші хімічні лабораторії», в яких замість колби використовується підкладка, а замість молів або мілімолей речовин, що реагують, - окремі молекули.
Наприклад, у 2016 році міжнародна група вчених на чолі з Такасі Кумагаї використала безконтактну атомно-силову мікроскопію для переведення молекули порфіцену з однієї її форми до іншої ( Nature Chemistry, 2016, 8, 935-940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфіцен можна розглядати як модифікацію порфірину, у внутрішньому циклі якого міститься чотири атоми азоту та два атоми водню. Коливання зонда АСМ передавали молекулі порфіцену достатньо енергії для перенесення цих водень від одних атомів азоту до інших, і в результаті виходило "дзеркальне відображення" цієї молекули (рис. 8).
Група під керівництвом невтомного Лео Гросса також показала, що можна ініціювати реакцію окремо взятої молекули, - вони перетворили дибромантрацен на десятичленний циклічний діін (рис. 9; Nature Chemistry, 2015, 7, 623-628, doi: 10.1038/nchem.2300). На відміну від Кумагаї із співавторами, вони використовували скануючий тунельний мікроскоп для активації молекули, а за результатом реакції стежили за допомогою атомно-силового мікроскопа.
Комбіноване застосування скануючого тунельного мікроскопа та атомно-силового мікроскопа дозволило навіть отримати молекулу, яку неможливо синтезувати за допомогою класичних прийомів та методів ( Nature Nanotechnology, 2017, 12, 308-311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Це тріангулен – нестабільний ароматичний бірадикал, існування якого було передбачено шість десятиліть тому, але всі спроби синтезу були невдалими (рис. 10). Хіміки з групи Ніко Павлічека отримали з'єднання, відірвавши від його прекурсора два атоми водню за допомогою СТМ і підтвердивши синтетичний результат за допомогою АСМ.
Передбачається, що кількість робіт, присвячених застосуванню атомно-силової мікроскопії в органічній хімії, ще зростатиме. Нині дедалі більше вчених намагаються повторити лежить на поверхні реакції, добре знайомі «розчинної хімії». Але, можливо, хіміки-синтетики почнуть відтворювати в розчині реакції, які були спочатку здійснені на поверхні за допомогою АСМ.
Від неживого – до живого
Кантилевери і зонди атомно-силових мікроскопів можна застосовувати як для аналітичних досліджень чи синтезу екзотичних молекул, а й у вирішення прикладних завдань. Вже відомі випадки використання АСМ у медицині, наприклад для ранньої діагностики раку, і тут піонером виступає той самий Крістофер Гербер, який доклав руку до розробки принципу атомно-силової мікроскопії та створення АСМ.
Так, Гербер вдалося навчити АСМ визначати точкову мутацію рибонуклеїнової кислоти при меланомі (на матеріалі, отриманому в результаті біопсії). Для цього золотий кантилевер атомно-силового мікроскопа модифікували олігонуклеотидами, які можуть вступати в міжмолекулярну взаємодію з РНК, а силу цієї взаємодії все також можна виміряти за рахунок п'єзоефекту. Чутливість сенсора АСМ настільки велика, що його намагаються застосувати вивчення ефективності популярного методу редагування геномів CRISPR-Cas9. Тут воєдино поєднуються технології, створені різними поколіннями дослідників.
Перефразовуючи класика однієї з політичних теорій, можна сказати, що ми вже зараз бачимо безмежні можливості та невичерпність атомно-силової мікроскопії і навряд чи може уявити, що чекає нас попереду у зв'язку з подальшим розвитком цих технологій. Але вже сьогодні скануючий тунельний мікроскоп та атомно-силовий мікроскоп дають нам можливість побачити атоми та доторкнутися до них. Можна сказати, що це не лише продовження наших очей, що дозволяє зазирнути в мікрокосм атомів і молекул, а й нові очі, нові пальці, здатні доторкнутися до цього мікрокосму та керувати ним.
