Почав Трурль ловити атоми, зішкрібати 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 і не обмежуватись спостереженням. Ми живемо у 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 розтягу одиночних молекул - і навіть для дослідження геному людини.
Літери з ксенонових пікселів
Розглянути атоми який завжди було так просто. Історія атомно-силового мікроскопа почалася в 1979 році, коли Герд Карл Бінніг і Генріх Рорер, що працювали в Дослідницькому центрі компанії IBM в Цюріху, розпочали 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.
Бінніга і Рорера вийшло, і вони увійшли в історію як винахідники скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), а в 1986 році отримали Нобелівську премію з фізики. Скануючий тунельний мікроскоп здійснив справжню революцію у фізиці та хімії.
У 1990 році Дон Айглер і 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 атомами ксенону (рис. 1).
Бінніг не став спочивати на лаврах - у рік отримання Нобелівської премії спільно з Крістофером Гербером і Кельвіном Куейтом, також працювали в Цюріхському дослідному центрі IBM, він почав роботу над ще одним пристроєм для вивчення мікросвіту, позбавленого недоліків, які притаманні 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. При роботі в безконтактному режимі п'єзовібратор збуджує коливання зонда на певній частоті (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, цікавіший для хіміків.
Живо за зондами, в гонитву за зв'язками
Безконтактною атомно-силовою мікроскопією стала 1998 року 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 і 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). У 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 під час переходу від простих ароматичних систем до плоских або об'ємних поліконденсованих циклічних систем. 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 фуллерені - 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 центрального кільця (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. Проте 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, однак аналіз спектрів ЯМР цієї сполуки не давав однозначної відповіді на його структуру: можливі були 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 коронів, 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 та 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 та 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 сприяло 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 в цьому десятилітті. 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
В умілих 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 перекладу 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 Павличека 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 у розчині реакції, які були спочатку здійснені на поверхні за допомогою АСМ.
Від неживого – до живого
Кантилевери і зонди атомно-силових мікроскопів можна використовувати 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 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.
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 сфері 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, тому 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
На цій фотографії ви дивитеся на перше пряме зображення орбіт електрона навколо атома - власне хвильову функцію атома!
Для отримання фотографії орбітальної структури атома водню, дослідники використали новий квантовий мікроскоп - неймовірний пристрій, який дозволяє вченим заглянути в область квантової фізики.
Орбітальна структура простору в атомі зайнята електроном. Але при описі цих мікроскопічних властивостей матерії вчені покладаються на хвильові функції - математичні способи опису квантових станів частинок, а саме того, як вони поводяться в просторі і в часі.
Як правило, у квантовій фізиці використовують формули типу рівняння Шредінгера для опису станів частинок.
Перешкоди по дорозі дослідників
До сьогодні, вчені практично ніколи не спостерігали хвильову функцію. Спроба вловити точне положення або імпульс самотнього електрона була схожа на спробу зловити рій мух. Прямі спостереження перекручувалися дуже неприємним явищем - квантовою когерентністю.
Щоб виміряти всі квантові стани, потрібен інструмент, який може проводити безліч вимірювань станів частинки з часом.
Але як збільшити і так мікроскопічний стан квантової частки? Відповідь знайшла група міжнародних дослідників. За допомогою квантового мікроскопа - пристрій, який використовує фотоіонізацію для прямих спостережень атомних структур.
У своїй статті в популярному журналі Physical Review Letters, Aneta Stodolna, яка працює в інституті молекулярної фізики (AMOLF) в Нідерландах, розповідає, як вона та її команда отримали структури вузлових електронних орбіталей атома водню, поміщених у статичному електричному полі.
Методика роботи
Після опромінення лазерними імпульсами, іонізовані електрони залишали свої орбіти і за виміряною траєкторією потрапляли в 2D детектор (подвійна мікроканальна пластина. Детектор розташований перпендикулярно до самого поля). Існує безліч траєкторій, якими можуть переміщатися електронів до зіткнення з детектором. Це забезпечує дослідників набором інтерференційних картин, моделей які відображають вузлову структуру хвильової функції.
Дослідники використовували електростатичну лінзу, яка збільшує вихідну хвилю електронів більш ніж 20000 разів.
Атом водню, зафіксувавши електронні хмари. І хоча сучасні фізики за допомогою прискорювачів можуть визначати навіть форму протона, атом водню, мабуть, так і залишиться найдрібнішим об'єктом, зображення якого має сенс називати фотографією. "Лента.ру" представляє огляд сучасних методів фотографування мікросвіту.
Власне, звичайної фотографії в наші дні майже не залишилося. Зображення, які ми за звичкою називаємо фотографіями і можемо знайти, наприклад, у будь-якому фоторепортажі «Ленты.ру», взагалі є комп'ютерними моделями. Світлочутлива матриця в спеціальному приладі (за традицією його продовжують називати «фотоапаратом») визначає просторовий розподіл інтенсивності світла в декількох різних спектральних діапазонах, електроніка, що управляє, зберігає ці дані в цифровому вигляді, а потім інша електронна схема на основі цих даних віддає команду транзисторам в рідкокристалічному дисплеї . Плівка, папір, спеціальні розчини для їх обробки – все це стало екзотикою. А якщо ми згадаємо буквальне значення слова, то фотографія – це «світлопис». Тож говорити про те, що вченим вдалося сфотографуватиатом, можна лише з неабиякою часткою умовності.
Більше половини всіх астрономічних знімків вже давно роблять інфрачервоні, ультрафіолетові та рентгенівські телескопи. Електронні мікроскопи опромінюють не світлом, а пучком електронів, а атомно-силові і зовсім сканують рельєф зразка голкою. Є рентгенівські мікроскопи та магнітно-резонансні томографи. Всі ці прилади видають нам точні зображення різних об'єктів, і незважаючи на те що про «світлопис» говорити тут, зрозуміло, не доводиться, ми все ж таки дозволимо собі називати такі зображення фотографіями.
Експерименти фізиків щодо визначення форми протона або розподілу кварків усередині частинок залишаться за кадром; наша розповідь буде обмежена масштабами атомів.
Оптика не старіє
Як з'ясувалося у другій половині XX століття, оптичним мікроскопам є ще куди розвиватися. Вирішальним моментом у біологічних та медичних дослідженнях стала поява флуоресцентних барвників та методів, що дозволяють вибірково помічати певні речовини. Це не було «лише новою фарбою», це був справжній переворот.
Всупереч поширеній помилці, флуоресценція - це зовсім не світіння в темряві (останнє називається люмінесценцією). Це явище поглинання квантів певної енергії (скажімо, синього світла) з подальшим випромінюванням інших квантів меншої енергії і, відповідно, іншого світла (при поглинанні синього будуть випускатися зелені). Якщо поставити світлофільтр, який пропускає тільки кванти, що випромінюються барвником, і затримує світло, що викликає флуоресценцію, можна побачити темне тло з яскравими плямами барвників, а барвники, у свою чергу, можуть розцвічувати зразок надзвичайно вибірково.
Наприклад, можна пофарбувати цитоскелет нервової клітини червоним, синапси виділити зеленим, а ядро – блакитним. Можна зробити флуоресцентну мітку, яка дозволить виявити білкові рецептори на мембрані або синтезовані клітиною за певних умов молекули. Метод імуногістохімічного фарбування здійснив революцію у біологічній науці. А коли генні інженери навчилися робити трансгенних тварин із флуоресцентними білками, цей метод пережив друге народження: реальністю стали, наприклад, миші з забарвленими в різні кольори нейронами.
Крім того, інженери вигадали (і відпрацювали на практиці) метод так званої конфокальної мікроскопії. Суть його полягає в тому, що мікроскоп фокусується на дуже тонкий шар, а спеціальна діафрагма відсікає створюване об'єктами поза цим шаром засвічення. Такий мікроскоп може послідовно сканувати зразок зверху вниз і отримувати стопку знімків, яка є основою для тривимірної моделі.
Використання лазерів та складних оптичних систем керування променем дозволило вирішити проблему вигоряння барвників та висихання ніжних біологічних зразків під яскравим світлом: промінь лазера сканує зразок лише тоді, коли це необхідно для зйомки. А щоб не витрачати час та сили на огляд великого препарату через окуляр із вузьким полем зору, інженери запропонували автоматичну систему сканування: на предметний столик сучасного мікроскопа можна покласти скло із зразком, і прилад самостійно відніме масштабну панораму всього зразка. При цьому в потрібних місцях він наводитиме на різкість, а потім склеїти безліч кадрів докупи.
У деякі мікроскопи можна посадити живих мишей, щурів або хоча б дрібних безхребетних тварин. Інші дають невелике збільшення, зате поєднані із рентгенівським апаратом. Багато хто для усунення перешкод від вібрацій монтується на спеціальних столах масою в кілька тонн усередині приміщень із ретельно контрольованим мікрокліматом. Вартість подібних систем перевищує вартість інших електронних мікроскопів, а конкурси на найкрасивіший кадр давно стали традицією. Крім того, продовжується і вдосконалення оптики: від пошуку кращих сортів скла та підбору оптимальних комбінацій лінз інженери перейшли до способів фокусування світла.
Ми спеціально перерахували низку технічних подробиць для того, щоб показати: прогрес у галузі біологічних досліджень давно пов'язаний із прогресом в інших галузях. Якби не існувало комп'ютерів, здатних автоматично порахувати кількість пофарбованих клітин на кількох сотнях фотографій, користі від супермікроскопів було б небагато. А без флуоресцентних барвників усі мільйони клітин були б не відрізняються один від одного, тож простежити за формуванням нових або загибеллю старих було б практично неможливо.
По суті, перший мікроскоп являв собою струбцину із закріпленою на ній сферичною лінзою. Аналогом такого мікроскопа може бути проста гральна карта з виконаним в ній отвором і краплею води. За деякими даними, подібні пристрої застосовували золотовидобувачі на Колимі вже в минулому столітті.
За дифракційною межею
Оптичні мікроскопи мають важливий недолік. Справа в тому, що за формою світлових хвиль неможливо відновити форму тих предметів, які виявилися набагато меншими за довжину хвилі: з тим самим успіхом можна намагатися досліджувати тонку текстуру матеріалу рукою в товстій рукавичці для зварювальних робіт.
Обмеження, створювані дифракцією, почасти вдалося подолати, причому без порушення законів фізики. Підпірнути під дифракційний бар'єр оптичним мікроскопам допомагають дві обставини: те, що при флуоресценції кванти випромінюються окремими молекулами барвника (які можуть досить далеко відстояти один від одного), і те, що за рахунок накладання світлових хвиль можна отримати яскраву пляму з діаметром меншим, ніж довжина хвилі.
При накладенні один на одного світлові хвилі здатні взаємно погасити один одного, тому параметри освітлення зразка так, щоб в яскраву область потрапляв по можливості менший ділянку. У поєднанні з математичними алгоритмами, які дозволяють, наприклад, прибрати подвійне зображення, таке спрямоване освітлення дає різке підвищення якості зйомки. Стає можливим, наприклад, досліджувати оптичний мікроскоп внутрішньоклітинні структури і навіть (комбінуючи описаний метод з конфокальної мікроскопією) отримувати їх тривимірні зображення.
Електронний мікроскоп до електронних приладів
Щоб відкрити атоми і молекули, вченим не довелося їх розглядати - молекулярна теорія не потребувала бачити об'єкт. А ось мікробіологія стала можливою тільки після винаходу мікроскопа. Тому спочатку мікроскопи асоціювалися саме з медициною та біологією: фізики та хіміки, що вивчали істотно менші об'єкти, обходилися іншими засобами. Коли ж їм захотілося подивитися на мікросвіт, дифракційні обмеження стали серйозною проблемою, тим більше що описані вище методи флуоресцентної мікроскопії були ще невідомі. Та й толку від підвищення роздільної здатності з 500 до 100 нанометрів небагато, якщо об'єкт, який треба розглянути, ще менший!
Знаючи про те, що електрони можуть поводитися і як хвиля, і як частка, фізики з Німеччини в 1926 створили електронну лінзу. Ідея, що лежить в її основі, була дуже простою і зрозумілою будь-якому школяру: раз електромагнітне поле відхиляє електрони, то за його допомогою можна поміняти форму пучка цих частинок, розтягнувши їх у різні боки, або, навпаки, зменшити діаметр пучка. Через п'ять років, у 1931 році Ернст Руска та Макс Кнолл побудували перший у світі електронний мікроскоп. У приладі зразок спочатку просвічувався пучком електронів, а потім електронна лінза розширювала пучок, що пройшов наскрізь, перед тим, як той падав на спеціальний люмінесцентний екран. Перший мікроскоп давав збільшення всього в 400 разів, але заміна світла на електрони відкрила дорогу до фотографування зі збільшенням у сотні тисяч разів: конструкторам довелося лише подолати кілька перешкод технічного характеру.
Електронний мікроскоп дозволив розглянути пристрій клітин у недосяжній раніше якості. Але за цим знімком не можна зрозуміти вік клітин та наявність у них тих чи інших білків, а ця інформація дуже потрібна вченим.
Наразі електронні мікроскопи дозволяють фотографувати віруси крупним планом. Існують різні модифікації приладів, що дозволяють не тільки просвічувати тонкі зрізи, а й розглядати їх у «відбитому світлі» (у відбитих електронах, звичайно). Ми не будемо докладно розповідати про всі варіанти мікроскопів, але зауважимо, що нещодавно дослідники – вони навчилися відновлювати зображення за дифракційною картиною.
Доторкнутися, а не розглянути
Ще одна революція сталася за рахунок подальшого відходу від принципу висвітлити і подивитися. Атомний силовий мікроскоп, як і скануючий тунельний мікроскоп, вже нічим на поверхню зразків не світить. Натомість поверхнею переміщається особливо тонка голка, яка буквально підстрибує навіть на нерівностях розміром з окремий атом.
Не вдаючись у деталі всіх подібних методів, зауважимо головне: голку тунельного мікроскопа можна не тільки переміщати вздовж поверхні, але й використовуватиме перестановку атомів з місця на місце. Саме таким чином вчені створюють написи, малюнки та навіть мультфільми, в яких намальований хлопчик грає з атомом. Справжнім атомом ксенону, що перетягується голкою тунельного мікроскопа, що сканує.
Тунельним мікроскоп називають тому, що він використовує ефект тунельного струму, що протікає через голку: електрони проходять через зазор між голкою і поверхнею за рахунок передбаченого квантовою механікою тунельного ефекту. Для роботи такого приладу потрібний вакуум.
Набагато менш вимогливий до навколишніх умов атомний силовий мікроскоп (АСМ) - він може (з рядом обмежень) працювати без відкачування повітря. У певному сенсі АСМ є нанотехнологічним спадкоємцем патефону. Голка, закріплена на тонкому та гнучкому кронштейні-кантилевері ( cantileverі є «кронштейн»), рухається вздовж поверхні без подачі на неї напруги і слідує рельєфу зразка так само, як голка патефону слідує вздовж борозенок грамплатівки. Вигин кантилевера змушує відхилятися закріплене ньому дзеркало, дзеркало відхиляє лазерний промінь, і це дозволяє дуже точно визначати форму досліджуваного зразка. Головне лише мати досить точну систему переміщення голки, а також запас голок, які мають бути ідеально гострими. Радіус закруглення у кінчиків таких голок може не перевищувати одного нанометра.
АСМ дозволяє бачити окремі атоми та молекули, однак, як і тунельний мікроскоп, не дозволяє зазирнути під поверхню зразка. Іншими словами, вченим доводиться вибирати між можливістю бачити атоми та можливістю вивчати весь об'єкт цілком. Втім, і для оптичних мікроскопів начинки зразків, що вивчаються, не завжди доступні, адже мінерали або метали зазвичай світло пропускають погано. Крім того, з фотографуванням атомів все одно виникають складнощі – ці об'єкти постають простими кульками, форма електронних хмар на таких знімках не видно.
Синхротронне випромінювання, що виникає при гальмуванні розігнаних прискорювачами заряджених частинок, дозволяє вивчати останки доісторичних тварин, що скам'яніли. Обертаючи зразок під рентгенівськими променями, ми можемо отримувати тривимірні томограми - саме так було знайдено, наприклад, мозок усередині черепа риб, що вимерли 300 мільйонів років тому. Можна обійтися і без обертання, якщо реєстрацію випромінювання, що пройшло, фіксацією розсіяних за рахунок дифракції рентгенівських променів.
І це ще не всі можливості, що відкриває рентгенівське випромінювання. При опроміненні ним багато матеріалів флуоресціюють, причому за характером флуоресценції можна визначити хімічний склад речовини: таким способом вчені забарвлення стародавніх артефактів, стерті в Середні віки праці Архімеда або забарвлення пір'я давно вимерлих птахів.
Позують атоми
На тлі всіх тих можливостей, які надають рентгенівські або оптико-флуоресцентні методи, новий спосіб фотографування окремих атомів вже здається не таким великим проривом у науці. Суть методу, який дозволив отримати представлені цього тижня зображення, така: з іонізованих атомів зривають електрони та спрямовують їх на спеціальний детектор. Кожен акт іонізації зриває електрон з певного становища та дає одну точку на «фотографії». Накопичивши кілька тисяч таких точок, вчені сформували картинку, що відображає найімовірніші місця виявлення електрона навколо ядра атома, а це за визначенням і є електронна хмара.
На закінчення скажемо, що можливість бачити окремі атоми зі своїми електронними хмарами - це скоріше вишенька на торті сучасної мікроскопії. Вченим було важливо досліджувати структуру матеріалів, вивчати клітини та кристали, а зумовлений цим розвиток технологій дало змогу дійти атома водню. Все, що менше, – вже сфера інтересів фахівців із фізики елементарних частинок. А біологам, матеріалознавцям та геологам ще є куди вдосконалювати мікроскопи навіть із досить скромним на тлі атомів збільшенням. Фахівцям з нейрофізіології, наприклад, давно хочеться мати прилад, здатний бачити окремі клітини всередині живого мозку, а творці марсоходів продали б душу за електронний мікроскоп, який залазив на борт космічного апарату і міг би працювати на Марсі.
Однак сфотографувати сам атом, а не будь-яку його частину представлялося вкрай важким завданням навіть при використанні високотехнологічних пристроїв.
Справа в тому, що згідно із законами квантової механіки неможливо однаково точно визначити всі властивості субатомної частинки. Цей розділ теоретичної фізики побудований за принципом невизначеності Гейзенберга, який свідчить, що неможливо однаково точно виміряти координати та імпульс частинки - точні виміри однієї якості обов'язково 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 звуковий хвилі визначає рух молекул повітря 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 приблизно 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 голландського 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 покинули свої орбіти з тією швидкістю і в тому напрямку, що визначалися їх хвильовими функціями. Сильне електричне поле у камері, де були 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 механіка так мало має справу з повсякденним життям людей, що навряд чи хтось міг подумати про отримання реального фото квантових взаємодій в атомі", - говорить провідний автор дослідження Анета Стодолна (Aneta Stodolna). Також вона стверджує, що розроблена методика може мати практичне застосування, наприклад, для створення провідників товщиною в атом, розвитку технології молекулярних проводів, що значно вдосконалить сучасні електронні прилади.
"Примітно, що експеримент був проведений саме на водні - одночасно найпростішій і найпоширенішій речовині в нашому Всесвіті. Потрібно буде зрозуміти, чи можна застосувати цю методику для складніших атомів. Якщо так, то це великий прорив, який дозволить розвинути не тільки електроніку, але й нанотехнології", - говорить Джеф Ландін (Jeff Lundeen) з університету Оттави, який не брав участі у дослідженні.
Втім, вчені, які проводили експеримент, не замислюються про практичний бік питання. Вони вважають, що їхнє відкриття насамперед належить до фундаментальної науки, яка допоможе передати більше знань майбутнім поколінням фізиків.
