Ma'lumki, koinotdagi hamma narsa atomlardan iborat. Atom o'z xususiyatlarini tashuvchi eng kichik materiya birligidir. O'z navbatida, atomning tuzilishi mikrozarrachalarning sehrli uchligidan iborat: protonlar, neytronlar va elektronlar.
Bundan tashqari, mikropartikullarning har biri universaldir. Ya'ni, siz dunyoda ikki xil proton, neytron yoki elektronni topa olmaysiz. Ularning barchasi bir-biriga mutlaqo o'xshash. Va atomning xossalari faqat atomning umumiy tuzilishidagi bu mikrozarrachalarning miqdoriy tarkibiga bog'liq bo'ladi.
Masalan, vodorod atomining tuzilishi bitta proton va bitta elektrondan iborat. Murakkablik jihatidan keyingi geliy atomi ikkita proton, ikkita neytron va ikkita elektrondan iborat. Litiy atomi uchta proton, to'rt neytron va uchta elektrondan va boshqalardan iborat.
Atomlarning tuzilishi (chapdan o'ngga): vodorod, geliy, litiy
Atomlar molekulalarga, molekulalar esa moddalar, minerallar va organizmlarga birlashadi. Butun hayotning asosi bo'lgan DNK molekulasi yo'lda yotgan tosh kabi koinotning bir xil uchta sehrli qurilish blokidan yig'ilgan strukturadir. Garchi bu struktura ancha murakkab bo'lsa-da.
Atom tizimining nisbatlarini va tuzilishini chuqurroq ko'rib chiqishga harakat qilsak, yanada hayratlanarli faktlar ochiladi. Ma'lumki, atom yadro va uning atrofida sharni tasvirlaydigan traektoriya bo'ylab harakatlanuvchi elektronlardan iborat. Ya'ni, uni so'zning odatiy ma'nosida harakat deb ham atash mumkin emas. Elektron hamma joyda va darhol shu sferada joylashgan bo'lib, yadro atrofida elektron bulutini hosil qiladi va elektromagnit maydon hosil qiladi.
Atom tuzilishining sxematik tasvirlari
Atom yadrosi proton va neytronlardan iborat bo'lib, unda tizimning deyarli butun massasi to'plangan. Ammo shu bilan birga, yadroning o'zi shunchalik kichikki, agar siz uning radiusini 1 sm shkalaga oshirsangiz, atomning butun tuzilishi radiusi yuzlab metrga etadi. Shunday qilib, biz zich materiya sifatida qabul qiladigan har bir narsa faqat fizik zarralar orasidagi energiya aloqalarining 99% dan ko'prog'ini va fizik shakllarning 1% dan kamrog'ini tashkil qiladi.
Ammo bu jismoniy shakllar nima? Ular nimadan yasalgan va ular qanday materialdan? Bu savollarga javob berish uchun keling, protonlar, neytronlar va elektronlarning tuzilishini batafsil ko'rib chiqamiz. Shunday qilib, biz mikrokosmosning chuqurligiga yana bir qadam - subatomik zarralar darajasiga tushamiz.
Elektron nimadan iborat?
Atomning eng kichik zarrasi elektrondir. Elektronning massasi bor, lekin hajmi yo'q. Ilmiy qarashda elektron hech narsadan iborat emas, balki strukturasiz nuqtadir.
Elektronni mikroskop ostida ko'rib bo'lmaydi. U faqat atom yadrosi atrofida loyqa sferaga o'xshab ko'rinadigan elektron bulut shaklida kuzatiladi. Shu bilan birga, elektronning bir vaqtning o'zida qaerda joylashganligini aniq aytish mumkin emas. Qurilmalar zarrachaning o'zini emas, balki faqat uning energiya izini tutishga qodir. Elektronning mohiyati materiya tushunchasiga kiritilmagan. Bu faqat harakatda va harakat orqali mavjud bo'lgan bo'sh shaklga o'xshaydi.
Elektronda hali hech qanday struktura topilmagan. Bu energiya kvanti bilan bir xil nuqta zarrasi. Aslida, elektron energiyadir, ammo bu uning yorug'lik fotonlari bilan ifodalanganidan ko'ra barqarorroq shaklidir.
Hozirgi vaqtda elektron bo'linmas hisoblanadi. Bu tushunarli, chunki hajmi bo'lmagan narsani ajratish mumkin emas. Biroq, nazariyada allaqachon o'zgarishlar mavjud bo'lib, unga ko'ra elektronning tarkibi kvazizarralarning uchligini o'z ichiga oladi:
- Orbiton - elektronning orbital holati haqidagi ma'lumotlarni o'z ichiga oladi;
- Spinon - aylanish yoki moment uchun javobgar;
- Xolon - elektronning zaryadi haqidagi ma'lumotni olib yuradi.
Biroq, biz ko'rib turganimizdek, kvazizarralarning materiya bilan mutlaqo umumiyligi yo'q va faqat ma'lumotni olib yuradi.
Elektron mikroskopda turli moddalar atomlarining fotosuratlari
Qizig'i shundaki, elektron yorug'lik yoki issiqlik kabi energiya kvantlarini o'zlashtira oladi. Bunday holda, atom yangi energiya darajasiga o'tadi va elektron bulutning chegaralari kengayadi. Bundan tashqari, elektron tomonidan so'rilgan energiya shunchalik kattaki, u atom tizimidan sakrab chiqib, mustaqil zarracha sifatida harakatini davom ettira oladi. Shu bilan birga, u o'zini yorug'lik fotoni kabi tutadi, ya'ni u zarracha bo'lishni to'xtatib, to'lqin xususiyatlarini namoyon qila boshlaydi. Bu tajribada isbotlangan.
Young tajribasi
Tajriba jarayonida elektronlar oqimi ikki tirqish kesilgan ekranga yo'naltirildi. Ushbu tirqishlardan o'tib, elektronlar boshqa proyeksiya ekranining yuzasi bilan to'qnashib, unda o'z izini qoldirdi. Elektronlar tomonidan "bombardimon qilish" natijasida proyeksiya ekranida zarrachalar emas, balki to'lqinlar ikkita tirqish orqali o'tganda paydo bo'ladigan interferentsiya naqshiga o'xshaydi.
Bunday naqsh ikkita bo'shliq orasidan o'tadigan to'lqin ikki to'lqinga bo'linganligi sababli yuzaga keladi. Keyingi harakat natijasida to'lqinlar bir-birining ustiga chiqadi va ba'zi joylarda ular bir-birini yo'q qiladi. Natijada, agar elektron o'zini zarracha kabi tutgan bo'lsa, proyeksiya ekranida bitta o'rniga ko'plab chiziqlar paydo bo'ladi.
Atom yadrosining tuzilishi: protonlar va neytronlar
Proton va neytronlar atom yadrosini tashkil qiladi. Va umumiy hajmda yadro 1% dan kamrog'ini egallashiga qaramay, tizimning deyarli butun massasi aynan shu tuzilishda to'plangan. Ammo proton va neytronlarning tuzilishi hisobiga fiziklar ikkiga bo'lingan va hozirda bir vaqtning o'zida ikkita nazariya mavjud.
- Nazariya №1 - Standart
Standart modelda aytilishicha, protonlar va neytronlar glyuonlar buluti bilan bog'langan uchta kvarkdan iborat. Kvarklar xuddi kvantlar va elektronlar kabi nuqtali zarralardir. Glyuonlar esa kvarklarning o'zaro ta'sirini ta'minlaydigan virtual zarralardir. Biroq tabiatda kvarklar ham, glyuonlar ham topilmagan, shuning uchun bu model qattiq tanqidga uchragan.
- Nazariya №2 - Muqobil
Ammo Eynshteyn tomonidan ishlab chiqilgan muqobil birlashgan maydon nazariyasiga ko'ra, proton, neytron kabi, jismoniy dunyoning boshqa zarralari kabi, yorug'lik tezligida aylanadigan elektromagnit maydondir.
Inson va sayyoraning elektromagnit maydonlari
Atom tuzilishining tamoyillari qanday?
Dunyodagi hamma narsa - nozik va zich, suyuq, qattiq va gazsimon - bu koinot bo'shlig'iga singib ketgan son-sanoqsiz maydonlarning energiya holatlaridir. Daladagi energiya darajasi qanchalik yuqori bo'lsa, u shunchalik nozik va kamroq seziladi. Energiya darajasi qanchalik past bo'lsa, u qanchalik barqaror va aniq bo'ladi. Atomning tuzilishida, shuningdek, koinotning boshqa har qanday birligining tuzilishida energiya zichligi bo'yicha har xil bo'lgan bunday maydonlarning o'zaro ta'siri yotadi. Ma'lum bo'lishicha, materiya faqat aqlning illyuziyasidir.
Atom (yunoncha "bo'linmas" dan) bir vaqtlar mikroskopik o'lchamdagi materiyaning eng kichik zarrasi, uning xususiyatlariga ega bo'lgan kimyoviy elementning eng kichik qismidir. Atomning tarkibiy qismlari - protonlar, neytronlar, elektronlar endi bu xususiyatlarga ega emas va ularni birgalikda hosil qiladi. Kovalent atomlar molekulalarni hosil qiladi. Olimlar atomning xususiyatlarini o'rganishadi va ular allaqachon yaxshi o'rganilgan bo'lsa-da, ular yangi narsalarni topish imkoniyatini qo'ldan boy berishmaydi - xususan, yangi materiallar va yangi atomlarni yaratish sohasida (davriy jadvalni davom ettirish). Atom massasining 99,9% yadroda.
Sarlavhadan qo'rqmang. SLAC Milliy tezlatkich laboratoriyasi xodimlari tomonidan tasodifan yaratilgan qora tuynuk faqat bitta atom bo'lib chiqdi, shuning uchun bizga hech narsa tahdid solmaydi. Va "qora tuynuk" nomi tadqiqotchilar tomonidan kuzatilgan hodisani faqat uzoqdan tasvirlaydi. Biz sizga dunyodagi eng kuchli rentgen lazeri haqida bir necha bor aytib o'tdik
Biroq, atomning biron bir qismini emas, balki uning o'zini suratga olish, hatto eng yuqori texnologiyali qurilmalarda ham juda qiyin ish edi.
Gap shundaki, kvant mexanikasi qonunlariga ko'ra, subatomik zarrachaning barcha xususiyatlarini bir xilda aniq aniqlash mumkin emas. Nazariy fizikaning ushbu bo'limi Geyzenberg noaniqlik printsipiga asoslanadi, unda zarrachaning koordinatalari va momentumini bir xil aniqlik bilan o'lchash mumkin emas - bir xususiyatning aniq o'lchovlari ikkinchisi haqidagi ma'lumotlarni o'zgartiradi.
Shuning uchun, joylashuvni (zarralar koordinatalarini) aniqlash o'rniga, kvant nazariyasi to'lqin funktsiyasi deb ataladigan narsani o'lchashni taklif qiladi.
To'lqin funktsiyasi tovush to'lqini bilan bir xil ishlaydi. Yagona farq shundaki, tovush toʻlqinining matematik tavsifi havodagi molekulalarning maʼlum bir joyda harakatini belgilaydi, toʻlqin funksiyasi esa Shredinger tenglamasiga koʻra u yoki bu joyda zarracha paydo boʻlish ehtimolini tavsiflaydi.
To'lqin funksiyasini o'lchash ham oson emas (to'g'ridan-to'g'ri kuzatishlar uning qulashiga olib keladi), lekin nazariy fiziklar uning qiymatlarini taxminan taxmin qilishlari mumkin.
To'lqin funktsiyasining barcha parametrlarini eksperimental ravishda o'lchash mumkin, agar u atomlar yoki molekulalarning mutlaqo bir xil tizimlarida olib borilgan alohida halokatli o'lchovlardan to'plangan bo'lsa.
Gollandiyalik fiziklar tadqiqot instituti AMOLF hech qanday “qayta qurish”ni talab qilmaydigan yangi usulni taqdim etdi va o‘z ishining natijalarini Physical Review Letters jurnalida chop etdi. Ularning metodologiyasi 1981 yilda uchta sovet nazariyotchi fiziklarining gipotezasiga, shuningdek, yaqinda olib borilgan tadqiqotlarga asoslanadi.
Tajriba davomida olimlar guruhi ikkita lazer nurini maxsus kameraga joylashtirilgan vodorod atomlariga yo‘naltirdi. Bunday ta'sir natijasida elektronlar o'z orbitalarini to'lqin funktsiyalari bilan aniqlangan tezlikda va yo'nalishda tark etishdi. Vodorod atomlari joylashgan kameradagi kuchli elektr maydoni elektronlarni planar (tekis) detektorning ma'lum qismlariga yubordi.
Detektorga urilgan elektronlarning holati kameradagi joylashuviga qarab emas, balki ularning dastlabki tezligiga qarab aniqlandi. Shunday qilib, detektorda elektronlarning taqsimlanishi olimlarga bu zarralar vodorod atomi yadrosi atrofidagi orbitani tark etganda, ularning to'lqin funktsiyasi haqida gapirib berdi.
Elektronlarning harakatlari fosforli ekranda qorong'u va yorug'lik halqalari ko'rinishida aks ettirilgan, olimlar ularni yuqori aniqlikdagi raqamli kamera bilan suratga olishgan.
“Biz natijalardan juda mamnunmiz. Kvant mexanikasi"Uning odamlarning kundalik hayotiga juda kam aloqasi borki, atomdagi kvant o'zaro ta'sirining haqiqiy fotosuratini olish hech kimning xayoliga ham kelmasa kerak", deydi bosh muallif Aneta Stodolna. amaliy foydalanish, masalan, atomdek qalin o'tkazgichlarni yaratish, molekulyar sim texnologiyasini ishlab chiqish, bu zamonaviy elektron qurilmalarni sezilarli darajada yaxshilaydi.
"E'tiborga molikki, tajriba bizning koinotdagi eng oddiy va eng keng tarqalgan modda bo'lgan vodorod ustida o'tkazildi. Bu usulni murakkabroq atomlarga qo'llash mumkinligini tushunish kerak bo'ladi. Agar shunday bo'lsa, unda bu Bu bizga nafaqat elektronikani, balki nanotexnologiyani ham rivojlantirish imkonini beradigan katta yutuq”, - deydi tadqiqotda ishtirok etmagan Ottava universitetidan Jeff Lundeen.
Biroq, tajriba o'tkazgan olimlarning o'zlari masalaning amaliy tomoni haqida o'ylamaydilar. Ularning fikricha, ularning kashfiyoti birinchi navbatda fundamental fan bilan bog‘liq bo‘lib, bu fiziklarning kelajak avlodlariga ko‘proq bilim o‘tkazishga yordam beradi.
Amerikalik fiziklar alohida atomlarni rekord o‘lchamdagi suratga olishga muvaffaq bo‘lishdi, deb yozadi Day.Az Vesti.ru nashriga tayanib.
Amerika Qo'shma Shtatlaridagi Kornel universiteti olimlari angstromning yarmidan kam bo'lgan (0,39 Å) rekord o'lchamlari bilan alohida atomlarni suratga olishga muvaffaq bo'lishdi. Oldingi fotosuratlar o'lchamlari yarmiga ega edi - 0,98 Å.
Atomlarni ko'ra oladigan kuchli elektron mikroskoplar taxminan yarim asrdan beri mavjud, ammo ularning o'lchamlari o'rtacha atom diametridan kattaroq bo'lgan ko'rinadigan yorug'likning uzun to'lqin uzunligi bilan cheklangan.
Shuning uchun olimlar elektron mikroskoplarda tasvirni fokuslaydigan va kattalashtiradigan linzalarning o'ziga xos analogidan foydalanadilar - ular magnit maydondir. Biroq, magnit maydondagi tebranishlar natijani buzadi. Buzilishlarni olib tashlash uchun magnit maydonni to'g'rilaydigan qo'shimcha qurilmalar qo'llaniladi, lekin ayni paytda elektron mikroskop dizaynining murakkabligini oshiradi.
Ilgari Kornell universiteti fiziklari elektron mikroskop pikselli massiv detektorini (EMPAD) o'rniga ishlab chiqdilar. murakkab tizim 128x128 piksel o'lchamdagi, alohida elektronlarga sezgir bo'lgan bitta kichik matritsaga ega kiruvchi elektronlarni fokuslash generatorlari. Har bir piksel elektronni aks ettirish burchagini qayd qiladi; buni bilib, olimlar elektronlarning xususiyatlarini, shu jumladan u chiqarilgan nuqtaning koordinatalarini qayta tiklash uchun ptyikografiyadan foydalanadilar.
Atomlar eng yuqori aniqlikda
Devid A. Muller va boshqalar. Tabiat, 2018.
2018 yilning yozida fiziklar olingan tasvirlar sifatini bugungi kungacha rekord darajadagi rezolyutsiyaga oshirishga qaror qilishdi. Olimlar harakatlanuvchi nurga 2D material - molibden sulfid MoS2 varaqini o'rnatdilar va nurni elektron manbaga turli burchaklarga burish orqali elektron nurlarini chiqarishdi. EMPAD va ptikografiya yordamida olimlar alohida molibden atomlari orasidagi masofani aniqladilar va 0,39 Å rekord o'lchamdagi tasvirni olishdi.
“Aslida biz dunyodagi eng kichik hukmdorni yaratdik”, deb tushuntiradi tajriba mualliflaridan biri Sol Gruner (Sol Gruner). Olingan rasmda 0,39 Å rekord o'lchamdagi oltingugurt atomlarini ko'rish mumkin edi. Bundan tashqari, biz hatto bitta atom etishmayotgan joyni ham ko'rishga muvaffaq bo'ldik (o'q bilan ko'rsatilgan).
Rekord ruxsatda oltingugurt atomlari
Trurl atomlarni ushlay boshladi, ulardan elektronlarni qirib tashladi, protonlarni yoğratdi, shunda faqat barmoqlari chaqnadi, proton xamirini tayyorladi, uning atrofida elektronlarni qo'ydi va - keyingi atom uchun; Besh daqiqadan kamroq vaqt o'tdi, u qo'lida sof oltinni ushlab oldi: u uni tumshug'iga uzatdi, lekin u tishidagi barni tatib ko'rib, boshini qimirlatib dedi:
- Va haqiqatan ham oltin, lekin men bunday atomlarni ta'qib qila olmayman. Men juda kattaman.
- Hech narsa, biz sizga maxsus apparat beramiz! Trurl uni ko'ndirdi.
Stanislav Lem, Kiberiada
Atomni mikroskop bilan ko'rish, uni boshqa atomdan farqlash, kimyoviy bog'lanishning buzilishi yoki hosil bo'lishini kuzatish va bir molekulaning boshqasiga qanday aylanishini ko'rish mumkinmi? Ha, agar u oddiy mikroskop emas, balki atom kuchi bo'lsa. Va siz kuzatish bilan cheklanib qololmaysiz. Biz atom kuchi mikroskopi mikrodunyoga shunchaki oyna bo'lishni to'xtatgan davrda yashayapmiz. Bugungi kunda ushbu asbob atomlarni siljitish, kimyoviy bog'lanishlarni buzish, bitta molekulalarning cho'zilish chegarasini o'rganish va hatto inson genomini o'rganish uchun ishlatilishi mumkin.
Ksenon piksellardan harflar
Atomlarni ko'rib chiqish har doim ham oson bo'lmagan. Atom kuchi mikroskopining tarixi 1979 yilda, Tsyurixdagi IBM tadqiqot markazida ishlaydigan Gerd Karl Binnig va Geynrix Rorer atom ruxsati bilan sirtlarni o'rganish imkonini beruvchi asbob yaratishni boshlaganlarida boshlangan. Bunday qurilmani o‘ylab topish uchun tadqiqotchilar tunnelga o‘tish effekti – elektronlarning o‘tib bo‘lmaydigandek tuyulgan to‘siqlarni yengib o‘tish qobiliyatidan foydalanishga qaror qilishdi. Maqsad skanerlash zondi va o'rganilayotgan sirt o'rtasida yuzaga keladigan tunnel oqimining kuchini o'lchash orqali namunadagi atomlarning o'rnini aniqlash edi.
Binnig va Rorer muvaffaqiyatga erishdilar va ular skanerlovchi tunnelli mikroskop (STM) ixtirochilari sifatida tarixga kirdilar va 1986 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi. Skanerli tunnel mikroskopi fizika va kimyoda haqiqiy inqilob qildi.
1990 yilda Kaliforniyadagi IBM tadqiqot markazida ishlaydigan Don Eygler va Erxard Shvaytser STM dan nafaqat atomlarni kuzatish, balki ularni manipulyatsiya qilish uchun ham foydalanish mumkinligini ko'rsatdi. Skanerli tunnel mikroskopining zondidan foydalanib, ular kimyogarlarning alohida atomlar bilan ishlashga o'tishini anglatuvchi, ehtimol, eng mashhur tasvirni yaratdilar - ular nikel yuzasida 35 ta ksenon atomi bo'lgan uchta harfni bo'yashdi (1-rasm).
Binnig o'z yutuqlari bilan to'xtamadi - olingan yili Nobel mukofoti Kristofer Gerber va Kelvin Quayt bilan, shuningdek, IBMning Tsyurix tadqiqot markazida, u STMga xos bo'lgan kamchiliklardan xoli mikrodunyoni o'rganish uchun boshqa qurilma ustida ishlay boshladi. Gap shundaki, skanerlash tunnel mikroskopi yordamida dielektrik yuzalarni o'rganish mumkin emas edi, faqat o'tkazgichlar va yarim o'tkazgichlarni o'rganish va ikkinchisini tahlil qilish uchun ular va mikroskop zondlari o'rtasida sezilarli nodir bo'lish kerak edi. Mavjud qurilmani yangilashdan ko'ra yangi qurilma yaratish osonroq ekanligini tushunib, Binnig, Gerber va Quait atom kuchi mikroskopini yoki AFMni ixtiro qildilar. Uning ishlash printsipi tubdan farq qiladi: sirt haqida ma'lumot olish uchun mikroskop probi va o'rganilayotgan namuna o'rtasida yuzaga keladigan oqim kuchi emas, balki ular o'rtasida paydo bo'ladigan tortishish kuchlarining qiymati o'lchanadi. ya'ni zaif kimyoviy bo'lmagan o'zaro ta'sirlar - van der Vaals kuchlari.
AFM ning birinchi ishchi modeli nisbatan sodda edi. Tadqiqotchilar egiluvchan mikromexanik datchik - oltin folga konsoliga ulangan olmosli zondni namuna yuzasiga siljitishdi (tortishuv zond va atom o'rtasida sodir bo'ladi, konsol tortishish kuchiga qarab egilib, pyezoelektrikni deformatsiya qiladi). Konsolning egilish darajasi piezoelektrik datchiklar yordamida aniqlandi - xuddi shunday tarzda, vinil yozuvining yivlari va tizmalari audio yozuvga aylantiriladi. Atom kuch mikroskopining dizayni unga 10-18 nyutongacha bo'lgan jozibador kuchlarni aniqlash imkonini berdi. Ishchi prototip yaratilganidan bir yil o'tgach, tadqiqotchilar 2,5 angstrom o'lchamlari bilan grafit yuzasi topografiyasining tasvirini olishga muvaffaq bo'lishdi.
O'shandan beri o'tgan o'ttiz yil ichida AFM deyarli har qanday kimyoviy ob'ektni o'rganish uchun ishlatilgan - keramik material yuzasidan tirik hujayralar va alohida molekulalar, ham statik, ham dinamik holatda. Atom kuchi mikroskopiyasi kimyogarlar va materialshunoslarning ish kuchiga aylandi va bu usul qo'llaniladigan ishlar soni doimiy ravishda o'sib bormoqda (2-rasm).
Yillar davomida tadqiqotchilar atom kuchi mikroskopiyasi yordamida ob'ektlarni kontaktli va kontaktsiz o'rganish uchun sharoitlarni tanladilar. Yuqorida tavsiflangan aloqa usuli konsol va sirt o'rtasidagi van der Waals o'zaro ta'siriga asoslangan. Kontaktsiz rejimda ishlaganda, piezovibrator prob tebranishlarini ma'lum bir chastotada (ko'pincha rezonansli) qo'zg'atadi. Sirtdan ta'sir qiluvchi kuch zond tebranishlarining amplitudasi ham, fazasi ham o'zgarishiga olib keladi. Kontaktsiz usulning ayrim kamchiliklariga (birinchi navbatda, tashqi shovqinga sezgirlik) qaramay, aynan shu usul zondning o'rganilayotgan ob'ektga ta'sirini istisno qiladi, bu esa kimyogarlar uchun qiziqroq ekanligini anglatadi.
Zondlarda tirik, ulanishlarni ta'qib qilish
Atom kuchi mikroskopiyasi 1998 yilda Binnigning shogirdi Frants Jozef Gissiblning ishi tufayli kontaktsiz bo'lib qoldi. Aynan u barqaror chastotali kvarts mos yozuvlar osilatoridan konsol sifatida foydalanishni taklif qilgan. 11 yildan so'ng Tsyurixdagi IBM laboratoriyasi tadqiqotchilari kontaktsiz AFM ning yana bir modifikatsiyasini amalga oshirdilar: zond-sensor rolini o'tkir olmos kristali emas, balki bitta molekula - uglerod oksidi bajardi. Bu IBMning Tsyurix bo'limidan Leo Gross tomonidan ko'rsatganidek, subatomik rezolyutsiyaga o'tish imkonini berdi. 2009 yilda AFM yordamida u atomlarni emas, balki kimyoviy bog'larni ko'rinadigan qilib, pentasen molekulasi uchun juda aniq va aniq o'qiladigan "rasm" ni oldi (3-rasm; Fan, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Kimyoviy bog'lanishni AFM bilan ko'rish mumkinligiga ishonch hosil qilgan Leo Gross uzoqroqqa borishga va atom kuchi mikroskopidan bog'lanish uzunligi va tartibini o'lchash uchun foydalanishga qaror qildi - kimyoviy tuzilishni va shuning uchun moddalarning xususiyatlarini tushunish uchun asosiy parametrlar.
Eslatib o'tamiz, bog'lanish tartiblaridagi farq turli xil elektron zichliklarini va ikki atom orasidagi turli atomlararo masofalarni ko'rsatadi (oddiy so'zlar bilan aytganda, qo'sh bog'lanish bitta bog'dan qisqaroq). Etanda uglerod-uglerod bog'lanish tartibi bitta, etilenda ikki, klassik aromatik molekula benzolda esa uglerod-uglerod bog'lanish tartibi birdan katta, lekin ikkitadan kichik bo'lib, 1,5 deb hisoblanadi.
Oddiy aromatik tizimlardan planar yoki katta hajmli polikondensatsiyalangan halqali tizimlarga o'tishda bog'lanish tartibini aniqlash ancha qiyin. Shunday qilib, kondensatsiyalangan besh va olti a'zoli uglerod davrlaridan tashkil topgan fullerenlardagi bog'lanish tartibi birdan ikkigacha bo'lgan har qanday qiymatni olishi mumkin. Xuddi shu noaniqlik nazariy jihatdan polisiklik aromatik birikmalar uchun ham amal qiladi.
2012 yilda Leo Gross Fabian Mohn bilan birgalikda uglerod oksidi bilan o'zgartirilgan metall kontaktsiz zondli atom kuch mikroskopi zaryadlarning atomlar va atomlararo masofalar o'rtasidagi taqsimotidagi farqlarni, ya'ni bog'lanish tartibi bilan bog'liq parametrlarni o'lchashi mumkinligini ko'rsatdi. ( Fan, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Buning uchun ular fullerendagi ikki xil kimyoviy bog'lanishni o'rgandilar - uglerod-uglerod aloqasi, C 60 fullerenning ikkita olti a'zoli uglerod o'z ichiga olgan tsikllari uchun umumiy bo'lgan va besh va olti a'zoli uchun umumiy bo'lgan uglerod-uglerod bog'i. sikllar. Atom kuch mikroskopi shuni ko'rsatdiki, olti a'zoli halqalarning kondensatsiyasi C 6 va C 5 tsikli bo'laklarining kondensatsiyasiga qaraganda qisqaroq va yuqori tartibli bog'lanishga olib keladi. Geksabenzokoronendagi kimyoviy bog'lanish xususiyatlarini o'rganish, bu erda yana oltita C6 tsikli markaziy C6 tsikli atrofida nosimmetrik tarzda joylashgan, kvant kimyoviy modellashtirish natijalarini tasdiqladi, unga ko'ra bog'lanish tartibi N-N markaziy halqalar (4-rasmda xat i) bu halqani periferik davrlar bilan birlashtiruvchi bog'lanishlardan kattaroq bo'lishi kerak (4-rasmda, harf j). Shunga o'xshash natijalar to'qqizta olti a'zoli halqalarni o'z ichiga olgan murakkabroq polisiklik aromatik uglevodorod uchun ham olingan.
Bog'lanish tartibi va atomlararo masofalar, albatta, organik kimyogarlarni qiziqtirdi, ammo bu kimyoviy bog'lanishlar nazariyasi, reaktivlikni bashorat qilish va kimyoviy reaktsiyalar mexanizmlarini o'rganish bilan shug'ullanadiganlar uchun muhimroq edi. Shunga qaramay, sintetik kimyogarlarni ham, tabiiy birikmalarning tuzilishini o'rganish bo'yicha mutaxassislarni ham hayratda qoldirdi: atom kuch mikroskopi molekulalarning tuzilishini xuddi NMR yoki IQ spektroskopiyasi kabi aniqlash uchun ishlatilishi mumkinligi ma'lum bo'ldi. Bundan tashqari, bu usullar bilan engish mumkin bo'lmagan savollarga aniq javob beradi.
Fotosuratdan kinogacha
2010 yilda xuddi shu Leo Gross va Rainer Ebel tabiiy birikma - bakteriyadan ajratilgan sefalandol A ning tuzilishini aniq aniqlashga muvaffaq bo'lishdi. Dermacoccus abyssi(Tabiat kimyosi, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nhem.765). Sefalandol A ning tarkibi ilgari massa spektrometriyasi yordamida aniqlangan, ammo bu birikmaning NMR spektrlarini tahlil qilish uning tuzilishi haqidagi savolga aniq javob bermadi: to'rtta variant mumkin edi. Atom kuch mikroskopidan foydalangan holda, tadqiqotchilar darhol to'rtta tuzilmadan ikkitasini istisno qildilar va AFM va kvant kimyoviy modellash orqali olingan natijalarni taqqoslab, qolgan ikkitasini to'g'ri tanlashdi. Vazifa qiyin bo'lib chiqdi: pentasen, fulleren va koronlardan farqli o'laroq, sefalandol A nafaqat uglerod va vodorod atomlarini o'z ichiga oladi, bundan tashqari, bu molekulada simmetriya tekisligi yo'q (5-rasm) - lekin bu muammo ham hal qilindi.
Atom kuchi mikroskopining analitik vosita sifatida ishlatilishini keyingi tasdiqlash Osaka universiteti muhandislik fakultetida Oskar Kustanz guruhidan olingan. U AFM yordamida bir-biridan uglerod va vodoroddan kamroq farq qiluvchi atomlarni qanday ajratishni ko'rsatdi ( Tabiat, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustanz kremniy, qalay va qo'rg'oshindan tashkil topgan har bir elementning ma'lum tarkibiga ega bo'lgan qotishma sirtini tekshirdi. Ko'p sonli tajribalar natijasida u AFM zondining uchi va turli atomlar o'rtasida paydo bo'ladigan kuch har xil ekanligini aniqladi (6-rasm). Masalan, kremniyni zondlashda eng kuchli o'zaro ta'sir, qo'rg'oshinni zondlashda esa eng zaif o'zaro ta'sir kuzatildi.
Kelajakda alohida atomlarni tanib olish uchun atom kuch mikroskopiyasi natijalari xuddi NMR natijalari bilan bir xil tarzda - nisbiy qiymatlarni solishtirish orqali qayta ishlanadi, deb taxmin qilinadi. Sensor ignasining aniq tarkibini nazorat qilish qiyin bo'lganligi sababli, sensor va turli sirt atomlari orasidagi kuchning mutlaq qiymati eksperimental sharoitga va qurilmaning markasiga bog'liq, ammo bu kuchlarning har qanday tarkibi va shakli uchun nisbati. sensor har bir kimyoviy element uchun doimiy bo'lib qoladi.
2013 yilda kimyoviy reaktsiyalardan oldin va keyin individual molekulalarning tasvirlarini olish uchun AFM dan foydalanishning birinchi misollari paydo bo'ldi: reaktsiya mahsulotlari va oraliq mahsulotlardan "fotoset" yaratiladi, keyinchalik uni hujjatli film sifatida o'rnatish mumkin ( Fan, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Berklidagi Kaliforniya universitetidan Feliks Fisher va Maykl Krommi sirtga kumush qo'llashdi 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzol, molekulalarning tasvirini oldi va siklizatsiyani boshlash uchun sirtni qizdirdi. Dastlabki molekulalarning yarmi birlashgan beshta olti a'zoli va ikkita besh a'zoli halqalardan tashkil topgan polisiklik aromatik tuzilmalarga aylandi. Molekulalarning yana bir choragi bitta to'rt a'zoli sikl va ikkita besh a'zoli sikl orqali bog'langan to'rtta olti a'zoli sikldan iborat tuzilmalarni hosil qildi (7-rasm). Qolgan mahsulotlar oligomerik tuzilmalar va arzimas miqdorda polisiklik izomerlar edi.
Ushbu natijalar tadqiqotchilarni ikki marta hayratda qoldirdi. Birinchidan, reaksiya davomida faqat ikkita asosiy mahsulot hosil bo'ldi. Ikkinchidan, ularning tuzilishi hayratga soldi. Fisherning ta'kidlashicha, kimyoviy sezgi va tajriba o'nlab mumkin bo'lgan reaktsiya mahsulotlarini chizishga imkon berdi, ammo ularning hech biri sirtda hosil bo'lgan birikmalarga mos kelmadi. Dastlabki moddalarning substrat bilan o'zaro ta'siri atipik kimyoviy jarayonlarning paydo bo'lishiga yordam bergan bo'lishi mumkin.
Tabiiyki, kimyoviy bog'lanishlarni o'rganishdagi birinchi jiddiy muvaffaqiyatlardan so'ng, ba'zi tadqiqotchilar zaif va kamroq o'rganilgan molekulalararo o'zaro ta'sirlarni, xususan, vodorod bog'lanishlarini kuzatish uchun AFM dan foydalanishga qaror qilishdi. Biroq, bu boradagi ishlar endigina boshlanmoqda va ularning natijalari bir-biriga ziddir. Shunday qilib, ba'zi nashrlarda atom kuch mikroskopiyasi vodorod aloqasini kuzatishga imkon bergani haqida xabar berilgan ( Fan, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), boshqalarda ular qurilmaning konstruktiv xususiyatlari tufayli bu shunchaki artefakt ekanligini va eksperimental natijalarni diqqat bilan talqin qilish kerakligini ta'kidlaydilar ( Jismoniy ko'rib chiqish xatlari, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Atom kuch mikroskopiyasi yordamida vodorod va boshqa molekulalararo o'zaro ta'sirlarni kuzatish mumkinmi degan savolga yakuniy javob, ehtimol, shu o'n yillikda olinadi. Buning uchun AFM ruxsatini kamida bir necha marta oshirish va shovqinsiz tasvirlarni qanday olishni o'rganish kerak ( Jismoniy tekshiruv B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).
Bir molekulaning sintezi
Mohir qo'llarda STM ham, AFM ham materiyani o'rganishga qodir asboblardan materiya tuzilishini yo'nalishda o'zgartirishga qodir asboblarga aylanadi. Ushbu qurilmalar yordamida allaqachon "eng kichik kimyoviy laboratoriyalar" ni olish mumkin bo'ldi, ularda kolba o'rniga substrat ishlatiladi va reaktivlarning mollari yoki millimollari o'rniga alohida molekulalar qo'llaniladi.
Misol uchun, 2016 yilda Takashi Kumagai boshchiligidagi xalqaro olimlar guruhi porfitsen molekulasini uning bir shaklidan boshqasiga o'tkazish uchun kontaktsiz atom kuch mikroskopiyasidan foydalangan ( Tabiat kimyosi, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nhem.2552). Porfitsenni porfirinning modifikatsiyasi deb hisoblash mumkin, uning ichki aylanishi to'rtta azot atomini va ikkita vodorod atomini o'z ichiga oladi. AFM probining tebranishlari porfitsen molekulasiga bu vodorodlarni bir azot atomidan ikkinchisiga o'tkazish uchun etarli energiya o'tkazdi va natijada ushbu molekulaning "oyna tasviri" olindi (8-rasm).
Charchamaydigan Leo Gross boshchiligidagi guruh ham bitta molekula reaktsiyasini boshlash mumkinligini ko'rsatdi - ular dibromoantrakenni o'n a'zoli siklik diynega aylantirdilar (9-rasm; Tabiat kimyosi, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nhem.2300). Kumagai va boshqalardan farqli o'laroq, ular molekulani faollashtirish uchun skanerlash tunnel mikroskopidan foydalanganlar va reaktsiya natijasi atom kuchi mikroskopi yordamida kuzatilgan.
Skanerli tunnel mikroskopi va atom kuch mikroskopidan birgalikda foydalanish klassik usullar va usullar yordamida sintez qilib bo'lmaydigan molekulani olishga imkon berdi ( Tabiat nanotexnologiyasi, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Bu triangulen beqaror aromatik diradikal bo'lib, uning mavjudligi oltmish yil oldin bashorat qilingan, ammo sintezga bo'lgan barcha urinishlar muvaffaqiyatsiz tugadi (10-rasm). Niko Pavlicek guruhining kimyogarlari STM yordamida ikki vodorod atomini prekursoridan olib tashlash va AFM yordamida sintetik natijani tasdiqlash orqali kerakli birikmani olishdi.
Organik kimyoda atom kuchi mikroskopiyasini qo'llashga bag'ishlangan ishlar soni bundan keyin ham o'sib borishi taxmin qilinmoqda. Hozirgi vaqtda tobora ko'proq olimlar reaktsiya yuzasida taniqli "eritma kimyosi" ni takrorlashga harakat qilmoqdalar. Ammo, ehtimol, sintetik kimyogarlar dastlab AFM yordamida sirtda amalga oshirilgan reaktsiyalarni eritmada ko'paytirishni boshlaydilar.
Jonsizdan tirikgacha
Atom kuch mikroskoplarining konsollari va zondlari nafaqat analitik tadqiqotlar yoki ekzotik molekulalarni sintez qilish, balki amaliy muammolarni hal qilish uchun ham qo'llanilishi mumkin. Tibbiyotda AFMni qo'llash holatlari allaqachon ma'lum, masalan, saraton kasalligini erta tashxislash uchun va bu erda kashshof bo'lgan o'sha Kristofer Gerber, atom kuchi mikroskopiyasi tamoyilini ishlab chiqishda va AFMni yaratishda qo'li bor edi.
Shunday qilib, Gerber AFMni melanomada ribonuklein kislotaning nuqta mutatsiyasini aniqlashga o'rgatishga muvaffaq bo'ldi (biopsiya natijasida olingan materialda). Buning uchun atom kuch mikroskopining oltin konsoli RNK bilan molekulalararo o'zaro ta'sirga kirishi mumkin bo'lgan oligonükleotidlar bilan o'zgartirildi va bu o'zaro ta'sir kuchini hali ham piezoelektrik effekt tufayli o'lchash mumkin. AFM sensorining sezgirligi shunchalik yuqoriki, u allaqachon mashhur CRISPR-Cas9 genomini tahrirlash usulining samaradorligini o'rganish uchun ishlatilmoqda. U tadqiqotchilarning turli avlodlari tomonidan yaratilgan texnologiyalarni birlashtiradi.
Siyosiy nazariyalardan birining klassikini izohlab, aytishimiz mumkinki, biz atom kuchi mikroskopiyasining cheksiz imkoniyatlari va bitmas-tuganmasligini allaqachon ko'rib turibmiz va ushbu texnologiyalarning yanada rivojlanishi bilan bog'liq holda nima kutayotganini tasavvur qila olmaymiz. Ammo bugungi kunda ham skanerlash tunnel mikroskopi va atom kuch mikroskopi bizga atomlarni ko'rish va ularga teginish imkoniyatini beradi. Aytishimiz mumkinki, bu nafaqat atomlar va molekulalarning mikrokosmosiga qarashga imkon beruvchi ko'zlarimizning kengaytmasi, balki bu mikrokosmosga tegishi va uni boshqarishi mumkin bo'lgan yangi ko'zlar, yangi barmoqlardir.
