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; U qo'lida bir bo'lak sof oltin tutguncha besh daqiqa ham o'tmadi: u uni yuziga uzatdi, lekin u tishidagi blokni 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 holatini 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 erishgan yutuqlari bilan cheklanmadi - Nobel mukofotini olgan yili Kristofer Gerber va IBM Tsyurix tadqiqot markazida ishlagan Kalvin Quayt bilan birga u kamchiliklardan xoli mikrodunyoni o'rganish uchun boshqa qurilma ustida ish boshladi. ular STMga xosdir. 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 kantilever 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 ba'zi kamchiliklariga qaramay (birinchi navbatda, tashqi shovqinga sezgirlik), aynan shu usul zondning o'rganilayotgan ob'ektga ta'sirini istisno qiladi va shuning uchun kimyogarlar uchun qiziqroqdir.
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 ikkita, klassik aromatik molekula benzolda uglerod-uglerod bog'lanish tartibi birdan katta, lekin ikkitadan kam va 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 taqsimlanishidagi 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 C 6 tsikli atrofida nosimmetrik tarzda joylashgan, markaziy halqaning C-C bog'lanish tartibiga ko'ra kvant kimyoviy modellashtirish natijalarini tasdiqladi (1-rasmda). 4, 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 zid. Shunday qilib, ba'zi nashrlarda atom kuch mikroskopiyasi vodorod aloqasini kuzatishga imkon berganligi 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 tsiklik 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 mikroskop va atom kuch mikroskopidan birgalikda foydalanish klassik texnika 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, shuni aytishimiz mumkinki, biz atom kuchi mikroskopiyasining cheksiz imkoniyatlari va cheksizligini 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.
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
Ushbu fotosuratda siz elektronning atom atrofidagi orbitasining birinchi to'g'ridan-to'g'ri tasvirini ko'ryapsiz - aslida atomning to'lqin funktsiyasi!
Vodorod atomining orbital tuzilishini suratga olish uchun tadqiqotchilar eng yangi kvant mikroskopidan, olimlarga kvant fizikasi sohasiga nazar tashlash imkonini beruvchi ajoyib qurilmadan foydalanishdi.
Atomdagi fazoning orbital tuzilishini elektron egallaydi. Ammo materiyaning bu mikroskopik xususiyatlarini tavsiflashda olimlar to'lqin funktsiyalariga, zarrachalarning kvant holatini tavsiflashning matematik usullariga, ya'ni ular fazoda va vaqtda qanday harakat qilishiga tayanadilar.
Qoida tariqasida, Shredinger tenglamasi kabi formulalar kvant fizikasida zarrachalarning holatini tavsiflash uchun ishlatiladi.
Tadqiqotchilar yo'lidagi to'siqlar
Hozirgacha olimlar to'lqin funktsiyasini hech qachon kuzatmagan. Yolg'iz elektronning aniq pozitsiyasini yoki momentumini qo'lga kiritishga urinish pashshalar to'dasini tutishga o'xshaydi. To'g'ridan-to'g'ri kuzatishlar juda yoqimsiz hodisa - kvant kogerentligi bilan buzilgan.
Barcha kvant holatlarini o'lchash uchun vaqt o'tishi bilan zarrachaning holatini ko'p o'lchashni amalga oshiradigan asbob kerak.
Ammo kvant zarrasining allaqachon mikroskopik holatini qanday oshirish mumkin? Javobni xalqaro tadqiqotchilar guruhi topdi. Kvant mikroskopi bilan atom tuzilmalarini bevosita kuzatish uchun fotoionizatsiyadan foydalanadigan qurilma.
Gollandiyadagi Molekulyar Fizika Institutida (AMOLF) Aneta Stodolna mashhur Physical Review Letters jurnalidagi maqolasida u va uning jamoasi statik elektr maydoniga joylashtirilgan vodorod atomining tugun elektron orbital tuzilmalarini qanday olganini tasvirlaydi.
Ish usuli
Lazer impulslari bilan nurlanishdan so'ng ionlangan elektronlar o'z orbitalarini tark etdi va o'lchangan traektoriya bo'ylab 2D detektorga tushdi (ikkita mikrokanalli plastinka. Detektor maydonning o'ziga perpendikulyar joylashgan). Elektronlar detektor bilan to'qnashmasdan oldin harakatlanishi mumkin bo'lgan ko'plab traektoriyalar mavjud. Bu tadqiqotchilarga interferentsiya naqshlari to'plamini, to'lqin funktsiyasining tugun tuzilishini aks ettiruvchi modellarni taqdim etadi.
Tadqiqotchilar elektronlarning chiquvchi to‘lqinini 20 000 martadan ko‘proq kattalashtiradigan elektrostatik linzadan foydalanganlar.
Vodorod atomi elektron bulutlarni ushlaydi. Garchi zamonaviy fiziklar hatto tezlatgichlar yordamida protonning shaklini aniqlay olsalar ham, vodorod atomi, aftidan, eng kichik ob'ekt bo'lib qoladi, uning tasvirini fotosurat deb atash mantiqan. "Lenta.ru" mikrodunyoni suratga olishning zamonaviy usullari haqida umumiy ma'lumotni taqdim etadi.
To‘g‘rirog‘i, bugungi kunda oddiy fotografiya deyarli qolmagan. Biz odatda fotosuratlar deb ataydigan va masalan, har qanday Lenta.ru foto inshosida topilishi mumkin bo'lgan tasvirlar aslida kompyuter modellari. Maxsus qurilmadagi yorug'likka sezgir matritsa (an'anaviy ravishda u hali ham "kamera" deb ataladi) yorug'lik intensivligining fazoviy taqsimotini bir nechta turli spektral diapazonlarda aniqlaydi, boshqaruv elektronikasi ushbu ma'lumotlarni raqamli shaklda saqlaydi, so'ngra boshqa elektron sxema, bu ma'lumotlar bo'yicha, suyuq kristall displeydagi tranzistorlarga buyruq beradi. Kino, qog'oz, ularni qayta ishlash uchun maxsus echimlar - bularning barchasi ekzotik bo'lib qoldi. Va agar so'zning so'zma-so'z ma'nosini eslasak, fotosurat "engil rasm" dir. Xo'sh, olimlar muvaffaqiyatga erishdilar deb nima deyish mumkin suratga olish atom, faqat adolatli miqdordagi an'anaviylik bilan mumkin.
Barcha astronomik tasvirlarning yarmidan ko'pi uzoq vaqtdan beri infraqizil, ultrabinafsha va rentgen teleskoplari yordamida yaratilgan. Elektron mikroskoplar yorug'lik bilan emas, balki elektron nur bilan nurlanadi, atom kuch mikroskoplari esa igna bilan namunaning relyefini skanerlaydi. Rentgen mikroskoplari va magnit-rezonans tomografiya skanerlari mavjud. Ushbu qurilmalarning barchasi bizga turli xil ob'ektlarning aniq tasvirlarini beradi va bu erda "engil rasm" haqida gapirish shart emasligiga qaramay, biz hali ham bunday tasvirlarni fotosuratlar deb atashga ruxsat beramiz.
Proton shaklini yoki zarralar ichidagi kvarklarning taqsimlanishini aniqlash uchun fiziklarning tajribalari sahna ortida qoladi; bizning hikoyamiz atomlar miqyosi bilan chegaralanadi.
Optika hech qachon eskirmaydi
20-asrning ikkinchi yarmida ma'lum bo'lishicha, optik mikroskoplar hali ham rivojlanish uchun joy bor. Biologik va tibbiy tadqiqotlarda hal qiluvchi moment floresan bo'yoqlarning paydo bo'lishi va ba'zi moddalarni tanlab belgilash usullari edi. Bu "shunchaki yangi bo'yoq" emas edi, bu haqiqiy inqilob edi.
Keng tarqalgan noto'g'ri tushunchadan farqli o'laroq, flüoresans qorong'uda porlash emas (ikkinchisi luminesans deb ataladi). Bu ma'lum energiya kvantlarini (aytaylik, ko'k yorug'lik) singdirish hodisasi, keyinchalik quyi energiyaning boshqa kvantlari va shunga mos ravishda boshqa yorug'lik (ko'k so'rilganida yashil rang chiqariladi). Agar siz faqat bo'yoq chiqaradigan kvantlar o'tishiga imkon beradigan va flüoresansni keltirib chiqaradigan yorug'likni to'sib qo'yadigan filtr qo'ysangiz, bo'yoqlarning yorqin dog'lari bilan qorong'i fonni ko'rishingiz mumkin va bo'yoqlar, o'z navbatida, namunani juda tanlab rang berishi mumkin. .
Misol uchun, siz nerv hujayrasining sitoskeletini qizil rangga bo'yashingiz, sinapslarni yashil rangda va yadroni ko'k rangda ajratib ko'rsatishingiz mumkin. Siz membranadagi oqsil retseptorlarini yoki hujayra tomonidan sintez qilingan molekulalarni ma'lum sharoitlarda aniqlash imkonini beradigan lyuminestsent yorliqni yaratishingiz mumkin. Immunogistokimyoviy bo'yash usuli biologiya fanida inqilob qildi. Va genetik muhandislar lyuminestsent oqsillar bilan transgen hayvonlarni yasashni o'rganganlarida, bu usul qayta tug'ilishni boshdan kechirdi: masalan, turli xil ranglarda bo'yalgan neyronli sichqonlar haqiqatga aylandi.
Bundan tashqari, muhandislar konfokal mikroskopiya deb ataladigan usulni o'ylab topishdi (va amaliyotda qo'llashdi). Uning mohiyati shundan iboratki, mikroskop fokusni juda yupqa qatlamga qaratadi va maxsus diafragma bu qatlamdan tashqaridagi jismlar tomonidan yaratilgan yorug'likni uzib qo'yadi. Bunday mikroskop namunani yuqoridan pastgacha ketma-ket skanerlashi va uch o'lchamli model uchun tayyor asos bo'lgan tasvirlar to'plamini olishi mumkin.
Lazerlar va murakkab optik nurlarni boshqarish tizimlaridan foydalanish bo'yoqning xiralashishi va nozik biologik namunalarni yorqin nur ostida quritish muammosini hal qilish imkonini berdi: lazer nurlari namunani faqat tasvirlash uchun zarur bo'lganda skanerlaydi. Katta preparatni tor ko'rish maydoniga ega okulyar orqali tekshirishga vaqt va kuch sarflamaslik uchun muhandislar avtomatik skanerlash tizimini taklif qilishdi: siz zamonaviy mikroskopning ob'ekt bosqichiga namunali stakan qo'yishingiz mumkin va qurilma mustaqil ravishda butun namunaning keng ko'lamli panoramasini suratga oladi. Shu bilan birga, to'g'ri joylarda u diqqatini qaratadi va keyin ko'plab ramkalarni bir-biriga yopishtiradi.
Ba'zi mikroskoplar tirik sichqonlar, kalamushlar yoki hech bo'lmaganda kichik umurtqasiz hayvonlarni joylashtirishi mumkin. Boshqalar biroz o'sishni beradi, ammo rentgen apparati bilan birlashtiriladi. Vibratsiyali shovqinlarni bartaraf etish uchun ko'pchilik ehtiyotkorlik bilan boshqariladigan mikroiqlim bilan yopiq joylarda bir necha tonna og'irlikdagi maxsus stollarga o'rnatiladi. Bunday tizimlarning narxi boshqa elektron mikroskoplarning narxidan oshib ketadi va eng chiroyli ramka uchun tanlovlar uzoq vaqtdan beri an'anaga aylangan. Bundan tashqari, optikani takomillashtirish davom etmoqda: eng yaxshi shisha turlarini izlash va optimal linzalar birikmalarini tanlashdan boshlab, muhandislar yorug'likka e'tibor qaratish usullariga o'tdilar.
Biologik tadqiqotlardagi taraqqiyot uzoq vaqtdan beri boshqa sohalardagi taraqqiyot bilan bog'liqligini ko'rsatish uchun biz bir qator texnik tafsilotlarni sanab o'tdik. Agar bir necha yuzlab fotosuratlardagi bo'yalgan hujayralar sonini avtomatik ravishda hisoblaydigan kompyuterlar bo'lmaganida, supermikroskoplarning foydasi kam bo'lar edi. Va lyuminestsent bo'yoqlarsiz, barcha millionlab hujayralar bir-biridan ajralib turolmaydi, shuning uchun yangilarining shakllanishi yoki eskilarining o'limini kuzatish deyarli mumkin emas.
Aslida, birinchi mikroskop sferik linzali qisqich edi. Bunday mikroskopning analogi oddiy o'yin kartasi bo'lishi mumkin, unda teshik va bir tomchi suv bor. Ba'zi ma'lumotlarga ko'ra, bunday qurilmalar o'tgan asrda Kolimada oltin konchilar tomonidan ishlatilgan.
Diffraktsiya chegarasidan tashqarida
Optik mikroskoplarning asosiy kamchiliklari bor. Haqiqat shundaki, yorug'lik to'lqinlari shaklidan to'lqin uzunligidan ancha kichik bo'lgan ob'ektlarning shaklini tiklash mumkin emas: siz xuddi shu tarzda qo'lingiz bilan materialning nozik tuzilishini tekshirishga harakat qilishingiz mumkin. qalin payvandlash qo'lqop.
Fizika qonunlarini buzmasdan, diffraktsiya tomonidan yaratilgan cheklovlar qisman bartaraf etildi. Ikki holat optik mikroskoplarning diffraktsiya to'sig'i ostida sho'ng'ishiga yordam beradi: floresans paytida kvantlar alohida bo'yoq molekulalari tomonidan chiqariladi (ular bir-biridan ancha uzoqda bo'lishi mumkin) va yorug'lik to'lqinlarini bir-biriga joylashtirish orqali yorqin nurni olish mumkinligi. diametri to'lqin uzunligidan kichikroq nuqta.
Bir-birining ustiga qo'yilganda, yorug'lik to'lqinlari bir-birini yo'q qilishga qodir, shuning uchun namunaning yorug'lik parametrlari shunday bo'ladiki, mumkin bo'lgan eng kichik maydon yorqin hududga tushadi. Masalan, arvohni olib tashlashi mumkin bo'lgan matematik algoritmlar bilan birgalikda bunday yo'nalishli yoritish tasvir sifatini keskin yaxshilashni ta'minlaydi. Masalan, hujayra ichidagi tuzilmalarni optik mikroskop yordamida tekshirish va hatto (ta'riflangan usulni konfokal mikroskop bilan birlashtirib) ularning uch o'lchamli tasvirlarini olish mumkin bo'ladi.
Elektron asboblardan oldin elektron mikroskop
Atom va molekulalarni kashf qilish uchun olimlar ularga qarashlari shart emas edi - molekulyar nazariya ob'ektni ko'rishi shart emas edi. Ammo mikrobiologiya mikroskop ixtiro qilingandan keyingina mumkin bo'ldi. Shuning uchun, dastlab mikroskoplar tibbiyot va biologiya bilan aniq bog'langan: boshqa vositalar bilan boshqariladigan ancha kichikroq ob'ektlarni o'rgangan fiziklar va kimyogarlar. Ular mikrokosmosni ham ko'rib chiqmoqchi bo'lganlarida, diffraktsiya cheklovlari jiddiy muammoga aylandi, ayniqsa yuqorida tavsiflangan floresan mikroskopiya usullari hali noma'lum edi. Va agar ko'rib chiqiladigan ob'ekt bundan ham kamroq bo'lsa, ruxsatni 500 dan 100 nanometrga oshirishning ma'nosi yo'q!
Elektronlarning ham to'lqin, ham zarracha sifatida harakat qilishini bilgan Germaniyalik fiziklar 1926 yilda elektron linzalarni yaratdilar. Bu g'oya har qanday maktab o'quvchisi uchun juda oddiy va tushunarli edi: elektromagnit maydon elektronlarni og'irlashtiradigan bo'lsa, bu zarrachalar nurlarining shaklini ularni bir-biridan ajratib, o'zgartirish yoki aksincha, diametrini kamaytirish uchun ishlatilishi mumkin. nur. Besh yil o'tgach, 1931 yilda Ernst Ruska va Maks Knoll dunyodagi birinchi elektron mikroskopni yaratdilar. Qurilmada namuna dastlab elektron nur bilan yoritilgan, keyin esa elektron linza maxsus lyuminestsent ekranga tushishidan oldin o'tgan nurni kengaytirgan. Birinchi mikroskop bor-yo'g'i 400 marta kattalashtirish imkonini berdi, lekin yorug'likni elektronlar bilan almashtirish yuz minglab marta kattalashtirish bilan suratga olish uchun yo'l ochdi: dizaynerlar faqat bir nechta texnik to'siqlarni engib o'tishlari kerak edi.
Elektron mikroskop hujayralar tuzilishini ilgari erishib bo'lmaydigan sifatda tekshirish imkonini berdi. Ammo bu rasmdan hujayralarning yoshini va ulardagi ma'lum oqsillarning mavjudligini tushunish mumkin emas va bu ma'lumot olimlar uchun juda zarur.
Elektron mikroskoplar endi viruslarni yaqindan suratga olish imkonini beradi. Qurilmalarning turli xil modifikatsiyalari mavjud bo'lib, ular nafaqat nozik qismlar orqali porlashni, balki ularni "aks ettirilgan yorug'lik" da (albatta, aks ettirilgan elektronlarda) ko'rib chiqishga imkon beradi. Biz mikroskoplarning barcha variantlari haqida batafsil gapirmaymiz, ammo shuni ta'kidlaymizki, yaqinda tadqiqotchilar diffraktsiya naqshidan tasvirni qanday tiklashni o'rgandilar.
Ko'rmang, teging
Yana bir inqilob "yorug'lik va ko'rish" tamoyilidan yanada uzoqlashish hisobiga sodir bo'ldi. Atom kuch mikroskopi, shuningdek, skanerlash tunnel mikroskopi endi namunalar yuzasida porlamaydi. Buning o'rniga, ayniqsa, nozik bir igna sirt bo'ylab harakatlanadi, u hatto bitta atom o'lchamidagi zarbalarda ham tom ma'noda sakraydi.
Bunday usullarning barchasini batafsil ko'rib chiqmasdan, biz asosiy narsani ta'kidlaymiz: tunnel mikroskopining ignasi nafaqat sirt bo'ylab harakatlanishi, balki atomlarni joydan ikkinchi joyga joylashtirish uchun ham ishlatilishi mumkin. Olimlar shunday qilib chizilgan bola atom bilan o'ynaydigan yozuvlar, chizmalar va hatto multfilmlarni yaratadilar. Skanerli tunnel mikroskopining uchi bilan tortilgan haqiqiy ksenon atomi.
Tunnel mikroskopi igna orqali oqayotgan tunnel oqimining ta'siridan foydalanganligi sababli chaqiriladi: elektronlar kvant mexanikasi tomonidan bashorat qilingan tunnel effekti tufayli igna va sirt orasidagi bo'shliqdan o'tadi. Ushbu qurilma ishlashi uchun vakuum kerak.
Atom kuch mikroskopi (AFM) atrof-muhit sharoitlariga nisbatan kamroq talabga ega - u (bir qator cheklovlar bilan) havo nasossiz ishlashi mumkin. Qaysidir ma'noda, AFM grammofonning nanotexnologik vorisi hisoblanadi. Yupqa va egiluvchan konsol qavsga o'rnatilgan igna ( konsol va "qavs" mavjud), unga kuchlanish qo'llamasdan sirt bo'ylab harakatlanadi va grammofon ignasi grammofon plastinasining yivlari bo'ylab ergashganidek, namunaning rel'efini kuzatib boradi. Konsolning egilishi unga o'rnatilgan oynaning og'ishiga olib keladi, oyna lazer nurini chalg'itadi va bu o'rganilayotgan namunaning shaklini juda aniq aniqlash imkonini beradi. Asosiysi, ignani harakatlantirish uchun juda aniq tizimga ega bo'lish, shuningdek, mukammal o'tkir bo'lishi kerak bo'lgan ignalarni etkazib berish. Bunday ignalarning uchlaridagi egrilik radiusi bir nanometrdan oshmasligi mumkin.
AFM alohida atomlar va molekulalarni ko'rishga imkon beradi, ammo tunnel mikroskopiga o'xshab, namunaning sirtini ko'rishga imkon bermaydi. Boshqacha qilib aytganda, olimlar atomlarni ko'ra olish yoki butun ob'ektni o'rganish imkoniyatini tanlashlari kerak. Biroq, hatto optik mikroskoplar uchun ham, o'rganilayotgan namunalarning ichki qismiga kirish har doim ham mumkin emas, chunki minerallar yoki metallar odatda yorug'likni yomon o'tkazadi. Bundan tashqari, atomlarni suratga olishda hali ham qiyinchiliklar mavjud - bu ob'ektlar oddiy to'plar kabi ko'rinadi, elektron bulutlarning shakli bunday tasvirlarda ko'rinmaydi.
Tezlatgichlar tomonidan tarqalgan zaryadlangan zarrachalarning sekinlashishi paytida yuzaga keladigan sinxrotron nurlanishi tarixdan oldingi hayvonlarning toshlangan qoldiqlarini o'rganish imkonini beradi. Namunani rentgen nurlari ostida aylantirib, biz uch o'lchamli tomogramma olishimiz mumkin - masalan, 300 million yil oldin yo'q bo'lib ketgan baliqning bosh suyagi ichidan miya topilgan. Agar uzatilgan nurlanishni ro'yxatga olish diffraktsiya tufayli tarqalgan rentgen nurlarini mahkamlash orqali amalga oshirilsa, siz aylanishsiz qilishingiz mumkin.
Va bu rentgen nurlari ochadigan barcha imkoniyatlar emas. U bilan nurlantirilganda ko'plab materiallar lyuminestsatsiyalanadi va moddaning kimyoviy tarkibi floresansning tabiati bilan aniqlanishi mumkin: shu tarzda olimlar qadimgi artefaktlarni, o'rta asrlarda o'chirilgan Arximed asarlarini yoki patlarning rangini bo'yashadi. uzoq vaqtdan beri yo'q bo'lib ketgan qushlar.
Atomlarni joylashtirish
Rentgen yoki optik lyuminestsent usullari bilan ta'minlangan barcha imkoniyatlar fonida alohida atomlarni suratga olishning yangi usuli endi fandagi bunday katta yutuq kabi ko'rinmaydi. Ushbu haftada taqdim etilgan tasvirlarni olish imkonini bergan usulning mohiyati quyidagilardan iborat: elektronlar ionlangan atomlardan tortib olinadi va maxsus detektorga yuboriladi. Har bir ionlanish harakati elektronni ma'lum bir pozitsiyadan ajratib oladi va "fotosurat" ga bitta nuqta beradi. Bir necha ming shunday nuqtalarni to'plagan olimlar, atom yadrosi atrofida elektronni topishning eng mumkin bo'lgan joylarini ko'rsatadigan rasmni yaratdilar va bu, ta'rifiga ko'ra, elektron bulutdir.
Xulosa qilib aytaylik, alohida atomlarni elektron bulutlari bilan ko'rish qobiliyati ko'proq zamonaviy mikroskopiya kekidagi olchaga o'xshaydi. Olimlar uchun materiallarning tuzilishini o'rganish, hujayralar va kristallarni o'rganish muhim edi va bundan kelib chiqadigan texnologiyalarning rivojlanishi vodorod atomiga erishish imkonini berdi. Bundan kam narsa - elementar zarralar fizikasi mutaxassislarining qiziqish doirasi. Biologlar, materialshunoslar va geologlar hali ham mikroskoplarni atomlar bilan solishtirganda juda oddiy kattalashtirish bilan takomillashtirish uchun imkoniyatlarga ega. Misol uchun, neyrofiziologiya bo'yicha mutaxassislar uzoq vaqtdan beri tirik miya ichidagi alohida hujayralarni ko'ra oladigan qurilmaga ega bo'lishni orzu qilishgan va roverlarni yaratuvchilar o'z ruhlarini kosmik kemaga sig'adigan va Marsda ishlay oladigan elektron mikroskop uchun sotishgan.
Biroq, uning biron bir qismini emas, balki atomning o'zini suratga olish, hatto eng yuqori texnologiyali qurilmalarda ham juda qiyin ish bo'lib tuyuldi.
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.
Gollandiyaning AMOLF ilmiy-tadqiqot instituti fiziklari hech qanday “qayta qurish”ni talab qilmaydigan yangi usulni taqdim etdi va o‘z ishlari natijalarini Physical Review Letters jurnalida e’lon qildi. 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 zarralarning to'lqin funktsiyasi haqida gapirib berdi, ular vodorod atomi yadrosi atrofidagi orbitadan chiqib ketishgan.
Elektronlarning harakatlari fosforli ekranda qorong'u va yorug'lik halqalari ko'rinishida aks ettirilgan, olimlar ularni yuqori aniqlikdagi raqamli kamera bilan suratga olishgan.
"Biz natijalarimizdan juda mamnunmiz. Kvant mexanikasi odamlarning kundalik hayotiga shunchalik aloqasi yoʻqki, atomdagi kvant oʻzaro taʼsirining haqiqiy suratini olish hech kimning xayoliga ham kelmasa kerak", - deydi tadqiqot yetakchi muallifi Aneta Stodolna. Uning ta'kidlashicha, ishlab chiqilgan texnika amaliy qo'llanmalarga ega bo'lishi mumkin, masalan, atom qalinligida o'tkazgichlarni yaratish, molekulyar simlar 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.
