Atom (dari bahasa Yunani “tak terpisahkan”) dulunya adalah partikel terkecil dari suatu zat berukuran mikroskopis, bagian terkecil dari suatu unsur kimia yang memiliki sifat-sifatnya. Komponen atom - proton, neutron, elektron - tidak lagi memiliki sifat-sifat ini dan membentuknya bersama-sama. Atom kovalen membentuk molekul. Para ilmuwan mempelajari ciri-ciri atom, dan meskipun telah dipelajari dengan cukup baik, mereka tidak melewatkan kesempatan untuk menemukan sesuatu yang baru - khususnya di bidang penciptaan bahan baru dan atom baru (melanjutkan tabel periodik). 99,9% massa atom ada di dalam inti atom.
Jangan terkecoh dengan judulnya. Lubang hitam yang secara tidak sengaja dibuat oleh karyawan SLAC National Accelerator Laboratory ternyata hanya berukuran satu atom, jadi tidak ada yang mengancam kita. Dan nama “lubang hitam” hanya menggambarkan sedikit fenomena yang diamati oleh para peneliti. Kami telah berulang kali memberi tahu Anda tentang laser sinar-X paling kuat di dunia, yang disebut
PostScience membantah mitos ilmiah dan menjelaskan kesalahpahaman umum. Kami meminta para ahli kami untuk mengomentari gagasan populer tentang struktur dan sifat atom.
Model Rutherford sesuai dengan gagasan modern tentang struktur atom
Hal ini benar, tetapi sebagian. Model atom planet, di mana elektron ringan mengorbit inti berat, seperti planet mengelilingi matahari, diusulkan oleh Ernest Rutherford pada tahun 1911, setelah inti atom itu sendiri ditemukan di laboratoriumnya. Dengan membombardir lembaran kertas logam dengan partikel alfa, para ilmuwan menemukan bahwa sebagian besar partikel melewati kertas tersebut, seperti cahaya yang menembus kaca. Namun, sebagian kecilnya – sekitar satu dari 8.000 – dipantulkan kembali ke sumbernya. Rutherford menjelaskan hasil ini dengan fakta bahwa massa tidak terdistribusi secara merata dalam materi, tetapi terkonsentrasi dalam “gumpalan” – inti atom yang membawa muatan positif yang menolak partikel alfa bermuatan positif. Elektron ringan dan bermuatan negatif menghindari "jatuh" ke inti dengan berputar mengelilinginya sehingga gaya sentrifugal menyeimbangkan gaya tarik elektrostatis.
Dikatakan bahwa setelah menciptakan model ini, Rutherford berseru: “Sekarang saya tahu seperti apa bentuk atom!” Namun, segera setelah mendapat inspirasi, Rutherford menyadari kelemahan idenya. Berputar mengelilingi inti, elektron menciptakan medan listrik dan magnet bergantian di sekelilingnya. Medan-medan ini bergerak dengan kecepatan cahaya dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Dan gelombang seperti itu membawa energi bersamanya! Ternyata, saat berputar mengelilingi inti, elektron akan terus menerus kehilangan energi dan jatuh ke dalam inti dalam waktu sepersejuta detik. (Pertanyaan yang mungkin timbul apakah argumen yang sama dapat diterapkan pada planet-planet di tata surya: mengapa mereka tidak jatuh ke Matahari? Jawaban: gelombang gravitasi, jika memang ada, jauh lebih lemah daripada gelombang elektromagnetik, dan gelombang gravitasi energi yang tersimpan di planet jauh lebih besar daripada elektron, sehingga “cadangan daya” di planet jauh lebih besar.)
Rutherford mempercayakan kolaboratornya, ahli teori muda Niels Bohr, dengan tugas menyelesaikan kontradiksi tersebut. Setelah bekerja selama dua tahun, Bohr menemukan solusi parsial. Dia mendalilkan bahwa di antara semua kemungkinan orbit elektron, ada orbit di mana elektron dapat bertahan dalam waktu lama tanpa memancarkan emisi. Sebuah elektron dapat berpindah dari satu orbit stasioner ke orbit stasioner lainnya, sambil menyerap atau memancarkan kuantum medan elektromagnetik dengan energi yang sama dengan perbedaan energi kedua orbit. Dengan menggunakan prinsip awal fisika kuantum, yang telah ditemukan pada saat itu, Bohr mampu menghitung parameter orbit stasioner dan, dengan demikian, energi kuanta radiasi yang berhubungan dengan transisi. Energi-energi ini pada saat itu telah diukur menggunakan metode spektroskopi, dan prediksi teoretis Bohr hampir sama persis dengan hasil pengukuran ini!
Terlepas dari hasil yang gemilang ini, teori Bohr hampir tidak memberikan kejelasan pada masalah fisika atom, karena teori tersebut bersifat semi-empiris: meskipun mendalilkan keberadaan orbit stasioner, teori tersebut tidak menjelaskan sifat fisiknya dengan cara apa pun. Klarifikasi menyeluruh terhadap masalah ini memerlukan setidaknya dua dekade berikutnya, ketika mekanika kuantum dikembangkan sebagai teori fisika integral dan sistematis.
Dalam kerangka teori ini, elektron tunduk pada prinsip ketidakpastian dan digambarkan bukan oleh suatu titik material, seperti planet, tetapi oleh fungsi gelombang yang “dioleskan” ke seluruh orbitnya. Pada setiap momen waktu, ia berada dalam superposisi keadaan yang bersesuaian dengan semua titik orbit. Karena kerapatan distribusi massa di ruang angkasa, yang ditentukan oleh fungsi gelombang, tidak bergantung pada waktu, medan elektromagnetik bolak-balik tidak tercipta di sekitar elektron; tidak ada kehilangan energi.
Dengan demikian, model planet memberikan gambaran visual yang sebenarnya tentang seperti apa atom - pernyataan Rutherford benar. Namun, hal ini tidak menjelaskan cara kerja atom: strukturnya jauh lebih kompleks dan lebih dalam daripada yang dimodelkan Rutherford.
Sebagai kesimpulan, saya mencatat bahwa “mitos” model planet berada di tengah-tengah drama intelektual yang memunculkan titik balik dalam fisika seratus tahun yang lalu dan sebagian besar membentuk ilmu pengetahuan ini dalam bentuknya yang modern.
Alexander Lvovsky
PhD di bidang Fisika, profesor di Fakultas Fisika Universitas Calgary, pemimpin kelompok ilmiah, anggota dewan ilmiah Pusat Kuantum Rusia, editor jurnal ilmiah Optics Express
Atom individu dapat dikontrol
Ini benar. Tentu saja bisa, kenapa tidak? Anda dapat mengontrol berbagai parameter atom, dan sebuah atom memiliki cukup banyak parameter: ia memiliki posisi dalam ruang, kecepatan, dan ada juga derajat kebebasan internal. Derajat kebebasan internal menentukan sifat magnetik dan listrik suatu atom, serta kesediaannya untuk memancarkan cahaya atau gelombang radio. Bergantung pada keadaan internal suatu atom, ia bisa lebih atau kurang aktif dalam tumbukan dan reaksi kimia, mengubah sifat-sifat atom di sekitarnya, dan responsnya terhadap medan eksternal bergantung pada keadaan internalnya. Dalam dunia kedokteran, misalnya, mereka menggunakan apa yang disebut gas terpolarisasi untuk membuat tomogram paru-paru - dalam gas tersebut semua atom berada dalam keadaan internal yang sama, yang memungkinkan mereka untuk "melihat" volume yang mereka isi melalui responsnya.
Tidaklah sulit untuk mengontrol kecepatan sebuah atom atau posisinya; jauh lebih sulit untuk memilih satu atom untuk dikendalikan. Tapi ini juga bisa dilakukan. Salah satu pendekatan pemisahan atom tersebut diwujudkan dengan menggunakan pendinginan laser. Untuk pengendalian, selalu mudah untuk mengetahui posisi awal; cukup baik jika atom belum bergerak. Pendinginan laser memungkinkan Anda mencapai keduanya, melokalisasi atom di ruang angkasa dan mendinginkannya, yaitu mengurangi kecepatannya hingga hampir nol. Prinsip pendinginan laser sama dengan prinsip pesawat jet, hanya saja pesawat jet memancarkan aliran gas untuk berakselerasi, dan dalam kasus pertama, atom, sebaliknya, menyerap aliran foton (partikel cahaya) dan melambat. . Teknik pendinginan laser modern dapat mendinginkan jutaan atom hingga kecepatan berjalan dan di bawahnya. Kemudian berbagai jenis jebakan pasif ikut berperan, misalnya jebakan dipol. Jika pendinginan laser menggunakan medan cahaya yang diserap atom secara aktif, maka untuk menjaganya tetap dalam perangkap dipol, frekuensi cahaya dipilih menjauhi serapan apa pun. Ternyata sinar laser yang sangat terfokus mampu mempolarisasi partikel kecil dan butiran debu serta menariknya ke wilayah dengan intensitas cahaya terbesar. Atom tidak terkecuali dan juga ditarik ke wilayah medan terkuat. Ternyata jika Anda memfokuskan cahaya sekencang mungkin, maka hanya satu atom yang dapat tertahan dalam perangkap tersebut. Faktanya adalah jika molekul kedua jatuh ke dalam perangkap, maka molekul tersebut akan menempel erat pada molekul pertama sehingga membentuk molekul dan pada saat yang sama terlepas dari perangkap. Namun, pemfokusan yang tajam seperti itu bukan satu-satunya cara untuk mengisolasi satu atom; Anda juga dapat menggunakan sifat interaksi atom dengan resonator untuk atom bermuatan, ion, Anda dapat menggunakan medan listrik untuk menangkap dan menahan tepat satu ion, dan sebagainya. Bahkan dimungkinkan untuk mengeksitasi satu atom dalam kumpulan atom yang cukup terbatas ke dalam keadaan tereksitasi yang sangat tinggi, yang disebut keadaan Rydberg. Sebuah atom, setelah tereksitasi ke keadaan Rydberg, menghalangi kemungkinan eksitasi tetangganya ke keadaan yang sama dan, jika volume atom cukup kecil, akan menjadi satu-satunya.
Dengan satu atau lain cara, begitu sebuah atom ditangkap, ia dapat dikendalikan. Keadaan internal dapat diubah oleh medan frekuensi cahaya dan radio menggunakan frekuensi yang diinginkan dan polarisasi gelombang elektromagnetik. Dimungkinkan untuk mentransfer atom ke keadaan yang telah ditentukan sebelumnya, baik itu keadaan tertentu - suatu tingkat atau superposisinya. Satu-satunya pertanyaan adalah ketersediaan frekuensi yang diperlukan dan kemampuan untuk menghasilkan pulsa kontrol yang cukup pendek dan kuat. Baru-baru ini, pengendalian atom menjadi lebih efektif dengan menjaganya tetap berada di sekitar struktur nano, yang memungkinkan tidak hanya untuk “berbicara” dengan atom secara lebih efektif, tetapi juga menggunakan atom itu sendiri - lebih tepatnya, keadaan internalnya - untuk mengontrol aliran cahaya, dan di masa depan, mungkin, dan untuk tujuan komputasi.
Mengontrol posisi atom yang ditahan oleh jebakan adalah tugas yang sangat sederhana - cukup gerakkan jebakan itu sendiri. Dalam kasus jebakan dipol, gerakkan berkas cahaya, yang dapat dilakukan, misalnya, dengan cermin bergerak untuk pertunjukan laser. Atom dapat kembali diberi kecepatan secara reaktif - dipaksa untuk menyerap cahaya, dan ion dapat dengan mudah dipercepat oleh medan listrik, seperti yang dilakukan pada tabung sinar katoda. Jadi saat ini, pada prinsipnya, apapun bisa dilakukan dengan atom, hanya masalah waktu dan tenaga.
Alexei Akimov
Atom tidak dapat dibagi
Sebagian benar, sebagian lagi tidak. Wikipedia memberi kita definisi berikut: “Atom (dari bahasa Yunani kuno ἄτομος - tidak dapat dibagi, tidak dipotong) adalah partikel suatu zat dengan ukuran dan massa mikroskopis, bagian terkecil dari suatu unsur kimia, yang merupakan pembawa sifat-sifatnya. Sebuah atom terdiri dari inti atom dan elektron.”
Saat ini, setiap orang terpelajar membayangkan atom dalam model Rutherford, yang secara singkat diwakili oleh kalimat terakhir dari definisi yang diterima secara umum ini. Tampaknya jawaban atas pertanyaan/mitos yang diajukan sudah jelas: atom adalah benda yang tersusun dan kompleks. Namun, situasinya tidak begitu jelas. Para filsuf kuno lebih suka mendefinisikan atom sebagai makna keberadaan partikel materi yang elementer dan tak terpisahkan dan tidak mungkin menghubungkan masalah dengan struktur unsur-unsur tabel periodik. Dalam atom Rutherford kita menemukan partikel seperti itu – yaitu elektron.
Elektron, sesuai dengan konsep modern, cocok dengan apa yang disebut
“>Model standar adalah suatu titik yang keadaannya digambarkan oleh posisi dan kecepatan. Penting bahwa spesifikasi simultan dari karakteristik kinematik ini tidak mungkin dilakukan karena prinsip ketidakpastian Heisenberg, tetapi dengan mempertimbangkan hanya salah satu karakteristik tersebut, misalnya koordinat, hal tersebut dapat ditentukan dengan akurasi tinggi yang sewenang-wenang.
Lalu apakah mungkin, dengan menggunakan teknologi eksperimental modern, untuk mencoba melokalisasi sebuah elektron pada skala yang jauh lebih kecil dari ukuran atom (~0,5 * 10-8 cm) dan memeriksa kemiripan titiknya? Ternyata jika Anda mencoba melokalisasi elektron pada skala yang disebut panjang gelombang Compton - sekitar 137 kali lebih kecil dari ukuran atom hidrogen - elektron akan berinteraksi dengan antimaterinya dan sistem akan menjadi tidak stabil.
Keruncingan dan ketidakterpisahan elektron dan partikel elementer materi lainnya merupakan elemen kunci dari prinsip aksi jarak pendek dalam teori medan dan terdapat dalam semua persamaan fundamental yang menggambarkan alam. Dengan demikian, para filsuf kuno tidak jauh dari kebenaran dalam anggapan bahwa partikel-partikel materi itu ada.
Dmitry Kupriyanov
Doktor Ilmu Fisika dan Matematika, Profesor Fisika, Universitas Politeknik Negeri St. Petersburg, Kepala. Jurusan Fisika Teori SPbSPU
Sains belum mengetahui hal ini. Model atom planet Rutherford mengasumsikan bahwa elektron mengorbit inti atom, seperti planet yang mengorbit matahari. Pada saat yang sama, wajar untuk berasumsi bahwa elektron adalah partikel bola padat. Model klasik Rutherford secara internal bertentangan. Jelasnya, partikel bermuatan (elektron) yang bergerak dengan percepatan akan kehilangan energi akibat radiasi elektromagnetik dan akhirnya jatuh ke inti atom.
Niels Bohr mengusulkan untuk melarang proses ini dan memperkenalkan persyaratan tertentu untuk jari-jari orbit tempat elektron bergerak. Model fenomenologis Bohr digantikan oleh model atom kuantum, yang dikembangkan oleh Heisenberg, dan model atom kuantum, tetapi lebih visual, yang diusulkan oleh Schrödinger. Dalam model Schrödinger, elektron bukan lagi bola yang terbang di orbit, melainkan gelombang berdiri yang, seperti awan, menggantung di atas inti atom. Bentuk “awan” ini dijelaskan oleh fungsi gelombang yang diperkenalkan oleh Schrödinger.
Pertanyaan yang segera muncul: apa arti fisis dari fungsi gelombang? Jawaban yang dikemukakan oleh Max Born: modulus kuadrat fungsi gelombang adalah probabilitas menemukan elektron pada suatu titik tertentu dalam ruang. Dan disinilah kesulitannya dimulai. Timbul pertanyaan: apa yang dimaksud dengan menemukan elektron pada suatu titik tertentu di ruang angkasa? Bukankah pernyataan Born harus dipahami sebagai pengakuan bahwa elektron adalah bola kecil yang terbang sepanjang lintasan tertentu dan dapat ditangkap pada titik tertentu lintasan tersebut dengan probabilitas tertentu?
Inilah sudut pandang yang dianut oleh Schrödinger dan Albert Einstein, yang bergabung dengannya dalam masalah ini. Mereka ditentang oleh fisikawan dari Sekolah Kopenhagen - Niels Bohr dan Werner Heisenberg, yang berpendapat bahwa elektron sama sekali tidak ada di antara tindakan pengukuran, yang berarti tidak masuk akal untuk membicarakan lintasan pergerakannya. Diskusi antara Bohr dan Einstein tentang interpretasi mekanika kuantum tercatat dalam sejarah. Bohr tampaknya menjadi pemenangnya: ia berhasil, meskipun tidak terlalu jelas, menyangkal semua paradoks yang dirumuskan oleh Einstein, dan bahkan paradoks “kucing Schrodinger” yang terkenal, yang dirumuskan oleh Schrodinger pada tahun 1935. Selama beberapa dekade, sebagian besar fisikawan setuju dengan Bohr bahwa materi bukanlah realitas objektif yang diberikan kepada kita melalui sensasi, seperti yang diajarkan Karl Marx, tetapi sesuatu yang muncul hanya pada saat pengamatan dan tidak ada tanpa adanya pengamat. Menariknya, di masa Soviet, jurusan filsafat di universitas-universitas mengajarkan bahwa sudut pandang seperti itu adalah idealisme subjektif, yaitu tren yang bertentangan dengan materialisme objektif - filsafat Marx, Engels, Lenin, dan Einstein. Pada saat yang sama, di departemen fisika, siswa diajari bahwa konsep Sekolah Kopenhagen adalah satu-satunya yang benar (mungkin karena fisikawan teoretis Soviet paling terkenal, Lev Landau, berasal dari sekolah ini).
Saat ini, pendapat para fisikawan terbagi. Di satu sisi, interpretasi mekanika kuantum Kopenhagen terus menjadi populer. Upaya untuk memverifikasi secara eksperimental validitas penafsiran ini (misalnya, keberhasilan verifikasi atas apa yang disebut ketidaksetaraan Bell oleh fisikawan Prancis Alain Aspe) mendapat persetujuan hampir bulat dari komunitas ilmiah. Di sisi lain, para ahli teori cukup nyaman mendiskusikan teori-teori alternatif, seperti teori dunia paralel. Kembali ke elektron, kita dapat mengatakan bahwa peluangnya untuk tetap menjadi bola bilyar belum terlalu tinggi. Pada saat yang sama, mereka berbeda dari nol. Pada tahun 20-an abad ke-20, model hamburan Compton biliarlah yang memungkinkan untuk membuktikan bahwa cahaya terdiri dari kuanta - foton. Dalam banyak permasalahan yang berkaitan dengan perangkat penting dan berguna (dioda, transistor), akan lebih mudah untuk menganggap elektron sebagai bola bilyar. Sifat gelombang elektron penting untuk menjelaskan efek yang lebih halus, seperti ketahanan magnet negatif logam.
Pertanyaan filosofis tentang apakah ada bola-elektron di antara tindakan pengukuran tidak terlalu penting dalam kehidupan sehari-hari. Namun, pertanyaan ini tetap menjadi salah satu masalah paling serius dalam fisika modern.
Alexei Kavokin
Kandidat Ilmu Fisika dan Matematika, Profesor di Universitas Southampton, Kepala Kelompok Polaritonik Kuantum dari Pusat Kuantum Rusia, Direktur Ilmiah Institut Fisika Fundamental Mediterania (Italia)
Sebuah atom dapat hancur total
Ini benar. Menghancurkan bukanlah membangun. Apa pun dapat dimusnahkan, termasuk atom, hingga tingkat kesempurnaan apa pun. Sebagai perkiraan pertama, atom adalah inti bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif. Tindakan destruktif pertama yang dapat dilakukan pada sebuah atom adalah dengan merobek elektron darinya. Hal ini dapat dilakukan dengan berbagai cara: Anda dapat memfokuskan radiasi laser yang kuat padanya, atau Anda dapat menyinarinya dengan elektron cepat atau partikel cepat lainnya. Atom yang kehilangan sebagian elektronnya disebut ion. Dalam keadaan inilah atom berada di Matahari, yang suhunya sangat tinggi sehingga hampir mustahil bagi atom untuk mempertahankan elektronnya saat tumbukan.
Semakin banyak elektron yang hilang dari suatu atom, semakin sulit atom tersebut melepaskan sisanya. Bergantung pada nomor atom, suatu atom memiliki lebih banyak atau lebih sedikit elektron. Atom hidrogen umumnya hanya memiliki satu elektron, dan sering kali kehilangan elektron bahkan dalam kondisi normal, dan hidrogenlah yang kehilangan elektronnya yang menentukan pH air. Sebuah atom helium memiliki dua elektron, dan dalam keadaan terionisasi penuh disebut partikel alfa – jenis partikel yang kita harapkan ada di reaktor nuklir, bukan dari air biasa. Atom yang mengandung banyak elektron memerlukan lebih banyak energi untuk melepaskan semua elektronnya, namun demikian, semua elektron dari atom mana pun dapat dilepaskan.
Jika semua elektron terkoyak, maka inti tetap ada, tetapi dapat juga musnah. Inti atom terdiri dari proton dan neutron (umumnya hadron), dan meskipun keduanya terikat cukup erat, partikel yang berenergi cukup tinggi dapat memecah keduanya. Atom-atom berat, yang mengandung terlalu banyak neutron dan proton, cenderung hancur dengan sendirinya, melepaskan cukup banyak energi - pembangkit listrik tenaga nuklir didasarkan pada prinsip ini.
Tetapi bahkan jika inti atom dipecah dan semua elektronnya dihilangkan, partikel aslinya tetap ada: neutron, proton, elektron. Tentu saja, mereka juga bisa dihancurkan. Sebenarnya, inilah yang dilakukannya, yaitu mempercepat proton menjadi energi yang sangat besar, menghancurkannya sepenuhnya dalam tumbukan. Dalam hal ini, banyak partikel baru yang lahir, yang dipelajari oleh penumbuk. Hal yang sama dapat dilakukan dengan elektron dan partikel lainnya.
Energi partikel yang hancur tidak hilang, ia didistribusikan ke partikel lain, dan jika jumlahnya cukup, maka menjadi tidak mungkin untuk dengan cepat melacak partikel asli di lautan transformasi baru. Semuanya bisa dihancurkan, tidak ada pengecualian.
Alexei Akimov
Kandidat Ilmu Fisika dan Matematika, kepala kelompok “Simulator Kuantum” dari Pusat Kuantum Rusia, guru di MIPT, karyawan Institut Fisika Lebedev, peneliti di Universitas Harvard
Trurl mulai menangkap atom, mengikis elektron darinya, menguleni proton sehingga hanya jari-jarinya yang berkedip, menyiapkan adonan proton, meletakkan elektron di sekitarnya dan - untuk atom berikutnya; Belum genap lima menit berlalu sebelum dia memegang sebongkah emas murni di tangannya: dia menyerahkannya ke moncongnya, dan dia, setelah mencoba balok itu di giginya dan menganggukkan kepalanya, berkata:
- Dan memang itu emas, tapi saya tidak bisa mengejar atom seperti itu. Saya terlalu besar.
- Tidak apa-apa, kami akan memberimu perangkat khusus! - Trurl membujuknya.
Stanislaw Lem, Cyberiad
Apakah mungkin, dengan menggunakan mikroskop, untuk melihat suatu atom, membedakannya dari atom lain, mengamati penghancuran atau pembentukan ikatan kimia, dan melihat bagaimana suatu molekul berubah menjadi molekul lain? Ya, jika itu bukan mikroskop sederhana, tetapi mikroskop gaya atom. Dan Anda tidak perlu membatasi diri pada observasi. Kita hidup di masa ketika mikroskop gaya atom tidak lagi sekadar jendela menuju dunia mikro. Saat ini, instrumen tersebut dapat digunakan untuk menggerakkan atom, memutus ikatan kimia, mempelajari batas regangan molekul tunggal—dan bahkan mempelajari genom manusia.
Surat terbuat dari piksel xenon
Melihat atom tidak selalu mudah. Sejarah mikroskop gaya atom dimulai pada tahun 1979, ketika Gerd Karl Binnig dan Heinrich Rohrer, yang bekerja di Pusat Penelitian IBM di Zurich, mulai menciptakan instrumen yang memungkinkan studi permukaan pada resolusi atom. Untuk menghasilkan alat semacam itu, para peneliti memutuskan untuk menggunakan efek terowongan - kemampuan elektron untuk mengatasi hambatan yang tampaknya tidak dapat ditembus. Idenya adalah untuk menentukan posisi atom dalam sampel dengan mengukur kekuatan arus terowongan yang timbul antara probe pemindai dan permukaan yang diteliti.
Binnig dan Rohrer berhasil, dan mereka tercatat dalam sejarah sebagai penemu scanning tunnelingmicroscope (STM), dan pada tahun 1986 mereka menerima Hadiah Nobel Fisika. Mikroskop penerowongan pemindaian telah membuat revolusi nyata dalam fisika dan kimia.
Pada tahun 1990, Don Eigler dan Erhard Schweitzer, yang bekerja di IBM Research Center di California, menunjukkan bahwa STM dapat digunakan tidak hanya untuk mengamati atom, namun juga untuk memanipulasinya. Dengan menggunakan probe mikroskop terowongan pemindaian, mereka mungkin menciptakan gambar paling populer yang melambangkan transisi ahli kimia untuk bekerja dengan atom individu - mereka melukis tiga huruf pada permukaan nikel dengan 35 atom xenon (Gbr. 1).
Binnig tidak berpuas diri - pada tahun ia menerima Hadiah Nobel, bersama dengan Christopher Gerber dan Kelvin Quaite, yang juga bekerja di IBM Zurich Research Center, ia mulai mengerjakan perangkat lain untuk mempelajari dunia mikro, tanpa kekurangan. melekat pada STM. Faktanya adalah bahwa dengan bantuan mikroskop terowongan pemindai, tidak mungkin untuk mempelajari permukaan dielektrik, tetapi hanya konduktor dan semikonduktor, dan untuk menganalisis yang terakhir, perlu untuk menciptakan ruang hampa yang signifikan antara keduanya dan probe mikroskop. Menyadari bahwa membuat perangkat baru lebih mudah daripada memperbarui perangkat yang sudah ada, Binnig, Gerber, dan Quaite menemukan mikroskop kekuatan atom, atau AFM. Prinsip operasinya sangat berbeda: untuk memperoleh informasi tentang permukaan, mereka tidak mengukur kekuatan arus yang timbul antara probe mikroskop dan sampel yang diteliti, tetapi nilai gaya tarik menarik yang timbul di antara keduanya, yaitu lemah. interaksi non-kimia - gaya van der Waals.
Model kerja AFM yang pertama relatif sederhana. Para peneliti memindahkan probe berlian di atas permukaan sampel, terhubung ke sensor mikromekanis fleksibel - kantilever yang terbuat dari kertas emas (tarikan muncul antara probe dan atom, kantilever menekuk tergantung pada gaya tarik-menarik dan merusak piezoelektrik) . Tingkat pembengkokan kantilever ditentukan menggunakan sensor piezoelektrik - dengan cara yang sama seperti alur dan punggung piringan hitam diubah menjadi rekaman audio. Desain mikroskop gaya atom memungkinkannya mendeteksi gaya tarik menarik hingga 10–18 newton. Setahun setelah membuat prototipe kerja, para peneliti dapat memperoleh gambar topografi permukaan grafit dengan resolusi 2,5 angstrom.
Selama tiga dekade yang telah berlalu sejak itu, AFM telah digunakan untuk mempelajari hampir semua objek kimia - mulai dari permukaan bahan keramik hingga sel hidup dan molekul individu, baik dalam keadaan statis maupun dinamis. Mikroskop gaya atom telah menjadi pekerja keras para ahli kimia dan ilmuwan material, dan jumlah penelitian yang menggunakan metode ini terus bertambah (Gbr. 2).
Selama bertahun-tahun, para peneliti telah memilih kondisi untuk studi objek kontak dan non-kontak menggunakan mikroskop gaya atom. Metode kontak dijelaskan di atas dan didasarkan pada interaksi van der Waals antara kantilever dan permukaan. Saat beroperasi dalam mode non-kontak, piezovibrator membangkitkan osilasi probe pada frekuensi tertentu (paling sering beresonansi). Gaya yang bekerja dari permukaan menyebabkan amplitudo dan fase osilasi probe berubah. Meskipun ada beberapa kelemahan metode non-kontak (terutama kepekaan terhadap kebisingan eksternal), metode ini menghilangkan pengaruh probe pada objek yang diteliti, dan oleh karena itu lebih menarik bagi ahli kimia.
Hidup dalam penyelidikan, dalam mengejar koneksi
Mikroskop gaya atom menjadi non-kontak pada tahun 1998 berkat karya siswa Binnig, Franz Josef Gissibl. Dialah yang mengusulkan penggunaan osilator referensi kuarsa dengan frekuensi stabil sebagai kantilever. 11 tahun kemudian, para peneliti dari laboratorium IBM di Zurich melakukan modifikasi lain dari AFM non-kontak: peran probe sensor tidak dimainkan oleh kristal berlian yang tajam, tetapi oleh satu molekul - karbon monoksida. Hal ini memungkinkan peralihan ke resolusi subatomik, seperti yang ditunjukkan oleh Leo Gross dari departemen IBM di Zurich. Pada tahun 2009, dengan menggunakan AFM, ia tidak membuat atom terlihat, tetapi ikatan kimia, memperoleh “gambar” yang cukup jelas dan tidak ambigu untuk molekul pentacene (Gbr. 3; Sains, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Yakin bahwa ikatan kimia dapat dilihat menggunakan AFM, Leo Gross memutuskan untuk melangkah lebih jauh dan menggunakan mikroskop gaya atom untuk mengukur panjang dan urutan ikatan – parameter kunci untuk memahami struktur kimia, dan juga sifat-sifat zat.
Ingatlah bahwa perbedaan orde ikatan menunjukkan kepadatan elektron yang berbeda dan jarak antar atom yang berbeda antara dua atom (sederhananya, ikatan rangkap lebih pendek dari ikatan tunggal). Pada etana, orde ikatan karbon-karbon adalah satu, pada etilen adalah dua, dan pada molekul aromatik klasik benzena, orde ikatan karbon-karbon lebih besar dari satu tetapi kurang dari dua, dan dianggap 1,5.
Menentukan urutan ikatan jauh lebih sulit ketika berpindah dari sistem aromatik sederhana ke sistem siklik polikondensasi planar atau massal. Jadi, urutan ikatan dalam fullerene, yang terdiri dari cincin karbon beranggota lima dan enam yang terkondensasi, dapat bernilai dari satu hingga dua. Ketidakpastian yang sama secara teoritis melekat pada senyawa polisiklik aromatik.
Pada tahun 2012, Leo Gross, bersama dengan Fabian Mohn, menunjukkan bahwa mikroskop gaya atom dengan probe logam non-kontak yang dimodifikasi dengan karbon monoksida dapat mengukur perbedaan distribusi muatan atom dan jarak antar atom - yaitu parameter yang terkait dengan urutan ikatan ( Sains, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Untuk melakukan ini, mereka mempelajari dua jenis ikatan kimia dalam fullerene - ikatan karbon-karbon, yang umum terjadi pada dua cincin beranggota enam yang mengandung karbon pada fullerene C60, dan ikatan karbon-karbon, yang umum terjadi pada lima dan enam. -cincin beranggota. Mikroskop gaya atom telah menunjukkan bahwa kondensasi cincin beranggota enam menghasilkan ikatan yang lebih pendek dan lebih besar dibandingkan kondensasi fragmen siklik C 6 dan C 5 . Studi tentang ciri-ciri ikatan kimia dalam heksabenzokoronena, di mana enam cincin C6 lagi terletak secara simetris di sekitar cincin pusat C6, mengkonfirmasi hasil pemodelan kimia kuantum, yang menurutnya urutan ikatan C-C dari cincin pusat (dalam Gambar 4, surat itu Saya) harus lebih besar dari ikatan yang menghubungkan cincin ini dengan siklus periferal (pada Gambar 4 huruf J). Hasil serupa diperoleh untuk hidrokarbon aromatik polisiklik yang lebih kompleks yang mengandung sembilan cincin beranggota enam.
Orde ikatan dan jarak antar atom, tentu saja, menarik bagi ahli kimia organik, namun hal ini lebih penting bagi mereka yang mempelajari teori ikatan kimia, memprediksi reaktivitas, dan mempelajari mekanisme reaksi kimia. Namun, baik ahli kimia sintetik maupun ahli dalam mempelajari struktur senyawa alami terkejut: ternyata mikroskop gaya atom dapat digunakan untuk menentukan struktur molekul dengan cara yang sama seperti spektroskopi NMR atau IR. Selain itu, metode ini memberikan jawaban yang jelas atas pertanyaan-pertanyaan yang tidak dapat ditangani oleh metode ini.
Mulai dari fotografi hingga sinema
Pada tahun 2010, Leo Gross dan Rainer Ebel yang sama mampu dengan jelas menetapkan struktur senyawa alami - cephalandol A, yang diisolasi dari bakteri Dermacoccus abissi(Kimia Alam, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Komposisi sefalandol A sebelumnya telah ditentukan menggunakan spektrometri massa, tetapi analisis spektrum NMR senyawa ini tidak memberikan jawaban yang jelas atas pertanyaan tentang strukturnya: ada empat pilihan yang mungkin. Dengan menggunakan mikroskop gaya atom, para peneliti segera menghilangkan dua dari empat struktur, dan membuat pilihan yang tepat dari dua struktur lainnya dengan membandingkan hasil yang diperoleh dengan menggunakan AFM dan pemodelan kimia kuantum. Tugasnya ternyata sulit: tidak seperti pentacene, fullerene, dan coronenes, cephalandol A tidak hanya mengandung atom karbon dan hidrogen, selain itu, molekul ini tidak memiliki bidang simetri (Gbr. 5) - tetapi masalah ini juga terpecahkan.
Konfirmasi lebih lanjut bahwa mikroskop gaya atom dapat digunakan sebagai alat analisis diperoleh dari kelompok Oscar Kustanza yang saat itu bekerja di School of Engineering di Universitas Osaka. Dia menunjukkan bagaimana menggunakan AFM untuk membedakan atom-atom yang berbeda satu sama lain jauh lebih sedikit dibandingkan karbon dan hidrogen ( Alam, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustants memeriksa permukaan paduan yang terdiri dari silikon, timah dan timbal dengan kandungan masing-masing elemen yang diketahui. Sebagai hasil dari berbagai percobaan, ia menemukan bahwa gaya yang dihasilkan antara ujung probe AFM dan atom yang berbeda berbeda (Gbr. 6). Misalnya, interaksi terkuat diamati saat menyelidiki silikon, dan interaksi terlemah diamati saat menyelidiki timbal.
Diasumsikan bahwa di masa depan, hasil mikroskop gaya atom untuk mengenali atom individu akan diproses dengan cara yang sama seperti hasil NMR - dengan membandingkan nilai relatif. Karena komposisi yang tepat dari ujung sensor sulit dikendalikan, nilai absolut gaya antara sensor dan berbagai atom permukaan bergantung pada kondisi eksperimen dan merek perangkat, namun rasio gaya ini untuk komposisi dan bentuk apa pun. sensor tetap konstan untuk setiap unsur kimia.
Pada tahun 2013, contoh pertama penggunaan AFM untuk memperoleh gambar molekul individu sebelum dan sesudah reaksi kimia muncul: sebuah “kumpulan foto” produk reaksi dan zat antara dibuat, yang kemudian dapat diedit menjadi semacam film dokumenter ( Sains, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187 ).
Felix Fischer dan Michael Crommie dari Universitas California di Berkeley mengaplikasikan perak ke permukaan 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzena, mencitrakan molekul dan memanaskan permukaan untuk memulai siklisasi. Setengah dari molekul asli berubah menjadi struktur aromatik polisiklik yang terdiri dari lima cincin beranggota enam dan dua cincin beranggota lima yang menyatu. Seperempat molekul lainnya membentuk struktur yang terdiri dari empat cincin beranggota enam yang dihubungkan melalui satu cincin beranggota empat, dan dua cincin beranggota lima (Gbr. 7). Produk sisanya adalah struktur oligomer dan, dalam jumlah kecil, isomer polisiklik.
Hasil ini dua kali mengejutkan para peneliti. Pertama, hanya dua produk utama yang terbentuk selama reaksi. Kedua, strukturnya mengejutkan. Fisher mencatat bahwa intuisi dan pengalaman kimia memungkinkan untuk menggambarkan lusinan kemungkinan produk reaksi, namun tidak satupun yang berhubungan dengan senyawa yang terbentuk di permukaan. Ada kemungkinan bahwa terjadinya proses kimia yang tidak lazim difasilitasi oleh interaksi zat awal dengan substrat.
Tentu saja, setelah keberhasilan besar pertama dalam studi ikatan kimia, beberapa peneliti memutuskan untuk menggunakan AFM untuk mengamati interaksi antarmolekul yang lebih lemah dan kurang dipelajari, khususnya ikatan hidrogen. Namun, pekerjaan di bidang ini baru saja dimulai, dan hasilnya bertentangan. Jadi, beberapa publikasi melaporkan bahwa mikroskop gaya atom memungkinkan untuk mengamati ikatan hidrogen ( Sains, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), yang lain berpendapat bahwa ini hanyalah artefak karena fitur desain perangkat, dan hasil eksperimen perlu ditafsirkan lebih hati-hati ( Surat Tinjauan Fisik, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Mungkin jawaban akhir atas pertanyaan apakah hidrogen dan interaksi antarmolekul lainnya dapat diamati dengan menggunakan mikroskop gaya atom akan diperoleh dalam dekade ini. Untuk melakukan ini, perlu meningkatkan resolusi AFM setidaknya beberapa kali lebih banyak dan mempelajari cara mendapatkan gambar tanpa gangguan ( Tinjauan FisikB, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).
Sintesis molekul tunggal
Di tangan yang terampil, STM dan AFM berubah dari perangkat yang mampu mempelajari materi menjadi perangkat yang mampu mengubah struktur materi dengan sengaja. Dengan bantuan perangkat ini, dimungkinkan untuk memperoleh “laboratorium kimia terkecil”, di mana substrat digunakan sebagai pengganti labu, dan molekul individu digunakan sebagai pengganti mol atau milimol zat yang bereaksi.
Misalnya, pada tahun 2016, tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh Takashi Kumagai menggunakan mikroskop gaya atom non-kontak untuk mengubah molekul porfisen dari satu bentuk ke bentuk lainnya ( Kimia Alam, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porfisen dapat dianggap sebagai modifikasi porfirin, cincin bagian dalamnya mengandung empat atom nitrogen dan dua atom hidrogen. Getaran probe AFM mentransfer energi yang cukup ke molekul porphycene untuk mentransfer hidrogen ini dari satu atom nitrogen ke atom nitrogen lainnya, dan hasilnya adalah “gambar cermin” dari molekul ini (Gbr. 8).
Tim yang dipimpin oleh Leo Gross yang tak kenal lelah juga menunjukkan bahwa reaksi dari satu molekul dapat dimulai - mereka mengubah dibromomantrasena menjadi diyne siklik beranggota sepuluh (Gbr. 9; Kimia Alam, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300 ). Berbeda dengan Kumagai dkk., mereka menggunakan mikroskop penerowongan pemindaian untuk mengaktifkan molekul, dan hasil reaksi dipantau menggunakan mikroskop gaya atom.
Penggunaan gabungan mikroskop terowongan pemindai dan mikroskop gaya atom bahkan memungkinkan diperolehnya molekul yang tidak dapat disintesis menggunakan teknik dan metode klasik ( Nanoteknologi Alam, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305 ). Ini adalah triangulena, diradikal aromatik tidak stabil yang keberadaannya telah diprediksi enam dekade lalu, namun semua upaya sintesis gagal (Gbr. 10). Ahli kimia dari kelompok Niko Pavlicek memperoleh senyawa yang diinginkan dengan menghilangkan dua atom hidrogen dari prekursornya menggunakan STM dan mengkonfirmasi hasil sintetiknya menggunakan AFM.
Diperkirakan jumlah penelitian yang ditujukan pada penggunaan mikroskop gaya atom dalam kimia organik akan terus bertambah. Saat ini, semakin banyak ilmuwan yang mencoba meniru reaksi permukaan yang dikenal dalam “kimia larutan”. Tapi mungkin ahli kimia sintetik akan mulai mereproduksi reaksi yang awalnya dilakukan di permukaan menggunakan AFM dalam larutan.
Dari tak hidup menjadi hidup
Kantilever dan probe mikroskop gaya atom dapat digunakan tidak hanya untuk studi analitis atau sintesis molekul eksotik, tetapi juga untuk memecahkan masalah terapan. Sudah diketahui kasus penggunaan AFM dalam pengobatan, misalnya untuk diagnosis dini kanker, dan di sini pelopornya adalah Christopher Gerber, yang memiliki andil dalam mengembangkan prinsip mikroskop gaya atom dan penciptaan AFM.
Dengan demikian, Gerber mampu mengajarkan AFM untuk mendeteksi mutasi titik pada asam ribonukleat pada melanoma (pada bahan yang diperoleh dari hasil biopsi). Untuk melakukan ini, kantilever emas mikroskop gaya atom dimodifikasi dengan oligonukleotida yang dapat melakukan interaksi antarmolekul dengan RNA, dan kekuatan interaksi ini juga dapat diukur melalui efek piezoelektrik. Sensitivitas sensor AFM sangat tinggi sehingga mereka mencoba menggunakannya untuk mempelajari efektivitas metode pengeditan genom populer CRISPR-Cas9. Teknologi yang diciptakan oleh berbagai generasi peneliti berkumpul di sini.
Mengutip salah satu teori politik klasik, kita dapat mengatakan bahwa kita telah melihat kemungkinan yang tidak terbatas dan mikroskop kekuatan atom yang tidak ada habisnya dan hampir tidak dapat membayangkan apa yang akan terjadi sehubungan dengan pengembangan lebih lanjut dari teknologi ini. Namun saat ini, pemindaian mikroskop terowongan dan mikroskop gaya atom memberi kita kesempatan untuk melihat dan menyentuh atom. Kita dapat mengatakan bahwa ini bukan hanya perpanjangan mata kita, yang memungkinkan kita melihat mikrokosmos atom dan molekul, tetapi juga mata baru, jari-jari baru, yang mampu menyentuh dan mengendalikan mikrokosmos ini.
Fisikawan dari AS berhasil menangkap atom individu dalam foto dengan resolusi rekor, lapor Day.Az dengan mengacu pada Vesti.ru
Para ilmuwan dari Cornell University di AS berhasil menangkap atom individu dalam foto dengan resolusi rekor - kurang dari setengah angstrom (0,39 Å). Foto sebelumnya memiliki resolusi setengah - 0,98 Å.
Mikroskop elektron canggih yang dapat melihat atom telah ada selama setengah abad, namun resolusinya dibatasi oleh panjang gelombang cahaya tampak, yang lebih besar dari diameter rata-rata atom.
Oleh karena itu, para ilmuwan menggunakan analog lensa tertentu yang memfokuskan dan memperbesar gambar dalam mikroskop elektron - ini adalah medan magnet. Namun, fluktuasi medan magnet mendistorsi hasil yang diperoleh. Untuk menghilangkan distorsi, perangkat tambahan digunakan yang mengoreksi medan magnet, tetapi pada saat yang sama meningkatkan kompleksitas desain mikroskop elektron.
Sebelumnya, fisikawan di Cornell University mengembangkan Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD), yang menggantikan sistem generator kompleks yang memfokuskan elektron yang masuk ke dalam satu matriks kecil dengan resolusi 128x128 piksel yang sensitif terhadap elektron individu. Setiap piksel mencatat sudut pantulan elektron; Mengetahui hal tersebut, para ilmuwan menggunakan teknik ptyakografi untuk merekonstruksi karakteristik elektron, termasuk koordinat titik pelepasannya.
Atom dalam resolusi tertinggi
David A.Muller dkk. Alam, 2018.
Pada musim panas 2018, fisikawan memutuskan untuk meningkatkan kualitas gambar yang dihasilkan hingga mencapai rekor resolusi hingga saat ini. Para ilmuwan menempelkan selembar bahan 2D, molibdenum sulfida MoS2, ke berkas bergerak dan menembakkan berkas elektron dengan memutar berkas pada sudut berbeda terhadap sumber elektron. Dengan menggunakan EMPAD dan ptaycography, para ilmuwan menentukan jarak antara atom molibdenum individu dan memperoleh gambar dengan rekor resolusi 0,39 Å.
“Pada dasarnya kami menciptakan garis terkecil di dunia,” jelas Sol Gruner, salah satu penulis eksperimen tersebut. Pada gambar yang dihasilkan, atom belerang dapat dilihat dengan rekor resolusi 0,39 Å. Selain itu, bahkan dimungkinkan untuk membedakan tempat di mana salah satu atom tersebut hilang (ditunjukkan dengan panah).
Atom belerang dalam resolusi rekor
Sebuah atom hidrogen menangkap awan elektron. Dan meskipun fisikawan modern, dengan menggunakan akselerator, bahkan dapat menentukan bentuk proton, atom hidrogen tampaknya akan tetap menjadi objek terkecil, yang gambarannya masuk akal untuk disebut foto. Lenta.ru menyajikan ikhtisar metode modern dalam memotret dunia mikro.
Sebenarnya, hampir tidak ada fotografi biasa yang tersisa saat ini. Gambar yang biasa kita sebut foto dan dapat ditemukan, misalnya, di laporan foto mana pun di Lenta.ru, sebenarnya adalah model komputer. Matriks peka cahaya dalam perangkat khusus (secara tradisional terus disebut "kamera") menentukan distribusi spasial intensitas cahaya dalam beberapa rentang spektral yang berbeda, elektronik kontrol menyimpan data ini dalam bentuk digital, dan kemudian sirkuit elektronik lainnya, berdasarkan data ini, memberikan perintah kepada transistor di layar kristal cair. Film, kertas, solusi khusus untuk pemrosesannya - semua ini menjadi eksotis. Dan jika kita mengingat arti harfiahnya, maka fotografi adalah “lukisan cahaya”. Jadi apa yang bisa kita katakan bahwa para ilmuwan berhasil mengambil foto atom, hanya mungkin dengan sejumlah konvensi.
Lebih dari separuh gambar astronomi telah lama diambil oleh teleskop inframerah, ultraviolet, dan sinar-X. Mikroskop elektron menyinari bukan dengan cahaya, tetapi dengan berkas elektron, sedangkan mikroskop gaya atom bahkan memindai relief sampel dengan jarum. Ada mikroskop sinar-X dan pemindai pencitraan resonansi magnetik. Semua perangkat ini memberi kita gambaran akurat tentang berbagai objek, dan meskipun, tentu saja, tidak perlu membicarakan "lukisan cahaya" di sini, kita tetap membiarkan diri kita menyebut gambar tersebut sebagai foto.
Eksperimen fisikawan untuk menentukan bentuk proton atau distribusi quark di dalam partikel akan tetap berada di belakang layar; cerita kita akan dibatasi pada skala atom.
Optik tidak pernah menjadi tua
Ternyata pada paruh kedua abad ke-20, mikroskop optik masih memiliki ruang untuk perbaikan. Momen yang menentukan dalam penelitian biologi dan medis adalah munculnya pewarna fluoresen dan metode yang memungkinkan pelabelan selektif pada zat tertentu. Ini bukan “hanya lapisan cat baru,” ini adalah sebuah revolusi nyata.
Berlawanan dengan kepercayaan umum, fluoresensi sama sekali bukan pendar dalam gelap (yang terakhir disebut pendaran). Ini adalah fenomena penyerapan kuanta energi tertentu (katakanlah, cahaya biru) diikuti dengan emisi kuanta lain dengan energi lebih rendah dan, karenanya, cahaya lain (bila biru diserap, kuanta hijau akan dipancarkan). Jika Anda memasang filter cahaya yang hanya mentransmisikan kuanta yang dipancarkan oleh pewarna dan menghalangi cahaya yang menyebabkan fluoresensi, Anda dapat melihat latar belakang gelap dengan bintik-bintik terang pada pewarna, dan pewarna tersebut, pada gilirannya, dapat mewarnai sampel dengan sangat selektif.
Misalnya, Anda dapat mewarnai sitoskeleton sel saraf dengan warna merah, sinapsis dengan warna hijau, dan nukleus dengan warna biru. Anda dapat membuat label fluoresen yang memungkinkan Anda mendeteksi reseptor protein pada membran atau molekul yang disintesis oleh sel dalam kondisi tertentu. Metode pewarnaan imunohistokimia telah merevolusi ilmu biologi. Dan ketika para insinyur genetika belajar membuat hewan transgenik dengan protein berpendar, metode ini mengalami kelahiran kembali: misalnya, tikus dengan neuron yang dicat dengan warna berbeda menjadi kenyataan.
Selain itu, para insinyur menemukan (dan mempraktikkan) metode yang disebut mikroskop confocal. Esensinya terletak pada kenyataan bahwa mikroskop memfokuskan pada lapisan yang sangat tipis, dan diafragma khusus memotong iluminasi yang diciptakan oleh objek di luar lapisan ini. Mikroskop semacam itu dapat memindai sampel secara berurutan dari atas ke bawah dan memperoleh setumpuk gambar, yang merupakan dasar siap pakai untuk model tiga dimensi.
Penggunaan laser dan sistem kontrol sinar optik yang canggih telah memecahkan masalah pemudaran pewarna dan pengeringan sampel biologis halus di bawah cahaya terang: sinar laser memindai sampel hanya jika diperlukan untuk pencitraan. Dan agar tidak membuang waktu dan tenaga untuk memeriksa spesimen besar melalui lensa mata dengan bidang pandang sempit, para insinyur mengusulkan sistem pemindaian otomatis: Anda dapat meletakkan gelas berisi sampel di atas panggung mikroskop modern, dan perangkat tersebut akan melakukannya. secara mandiri mengambil panorama skala besar dari seluruh sampel. Pada saat yang sama, ia akan fokus di tempat yang tepat, dan kemudian menyatukan banyak bingkai menjadi satu.
Beberapa mikroskop mungkin berisi tikus hidup, mencit, atau setidaknya hewan invertebrata kecil. Lainnya memberikan sedikit pembesaran, namun dikombinasikan dengan mesin X-ray. Untuk menghilangkan gangguan getaran, banyak yang dipasang di meja khusus dengan berat beberapa ton di dalam ruangan dengan iklim mikro yang dikontrol dengan cermat. Biaya sistem seperti itu melebihi biaya mikroskop elektron lainnya, dan kompetisi untuk mendapatkan bingkai terindah telah lama menjadi tradisi. Selain itu, peningkatan optik terus berlanjut: mulai dari mencari jenis kaca terbaik dan memilih kombinasi lensa yang optimal, para insinyur telah beralih ke cara memfokuskan cahaya.
Kami telah secara khusus mencantumkan sejumlah rincian teknis untuk menunjukkan bahwa kemajuan dalam bidang penelitian biologi telah lama dikaitkan dengan kemajuan di bidang lain. Jika tidak ada komputer yang dapat secara otomatis menghitung jumlah sel yang diwarnai dalam beberapa ratus foto, supermikroskop tidak akan banyak berguna. Dan tanpa pewarna fluoresen, jutaan sel tidak akan dapat dibedakan satu sama lain, sehingga hampir tidak mungkin untuk memantau pembentukan sel baru atau kematian sel lama.
Faktanya, mikroskop pertama adalah penjepit dengan lensa bulat terpasang padanya. Analog dari mikroskop semacam itu dapat berupa kartu remi sederhana dengan lubang di dalamnya dan setetes air. Menurut beberapa laporan, perangkat serupa telah digunakan oleh penambang emas di Kolyma pada abad terakhir.
Melampaui batas difraksi
Mikroskop optik memiliki kelemahan mendasar. Faktanya adalah bahwa dengan menggunakan bentuk gelombang cahaya tidak mungkin untuk merekonstruksi bentuk benda-benda yang ternyata jauh lebih pendek dari panjang gelombangnya: dengan keberhasilan yang sama Anda dapat mencoba memeriksa tekstur halus bahan dengan tangan Anda. sarung tangan las yang tebal.
Keterbatasan yang ditimbulkan oleh difraksi sebagian telah diatasi, tanpa melanggar hukum fisika. Dua keadaan yang membantu mikroskop optik menyelam di bawah penghalang difraksi: fakta bahwa selama kuanta fluoresensi dipancarkan oleh molekul pewarna individu (yang bisa berjauhan satu sama lain), dan fakta bahwa dengan melapiskan gelombang cahaya dimungkinkan untuk memperoleh cahaya terang. titik yang diameternya lebih kecil dari panjang gelombang.
Ketika ditumpangkan satu sama lain, gelombang cahaya dapat saling meniadakan, sehingga parameter iluminasi sampel diatur sedemikian rupa sehingga area sekecil mungkin masuk ke dalam area terang. Dikombinasikan dengan algoritme matematika yang memungkinkan, misalnya, menghilangkan bayangan pada gambar, pencahayaan terarah seperti itu memberikan peningkatan tajam dalam kualitas pengambilan gambar. Misalnya, menjadi mungkin untuk memeriksa struktur intraseluler menggunakan mikroskop optik dan bahkan (dengan menggabungkan metode yang dijelaskan dengan mikroskop confocal) untuk mendapatkan gambar tiga dimensi dari struktur tersebut.
Mikroskop elektron ke instrumen elektronik
Untuk menemukan atom dan molekul, ilmuwan tidak perlu melihatnya – teori molekuler tidak perlu melihat objeknya. Namun mikrobiologi baru menjadi mungkin setelah ditemukannya mikroskop. Oleh karena itu, pada awalnya, mikroskop diasosiasikan secara khusus dengan kedokteran dan biologi: fisikawan dan kimiawan yang mempelajari benda-benda yang jauh lebih kecil terpaksa menggunakan cara lain. Ketika mereka ingin melihat dunia mikro, keterbatasan difraksi menjadi masalah yang serius, terutama karena metode mikroskop fluoresensi yang dijelaskan di atas masih belum diketahui. Dan tidak ada gunanya meningkatkan resolusi dari 500 menjadi 100 nanometer jika objek yang perlu diperiksa lebih kecil lagi!
Mengetahui bahwa elektron dapat berperilaku sebagai gelombang dan partikel, fisikawan dari Jerman menciptakan lensa elektron pada tahun 1926. Ide di baliknya sangat sederhana dan dapat dimengerti oleh setiap anak sekolah: karena medan elektromagnetik membelokkan elektron, medan elektromagnetik dapat digunakan untuk mengubah bentuk berkas partikel-partikel ini, memisahkannya ke arah yang berbeda, atau, sebaliknya, untuk mengurangi diameternya. dari balok. Lima tahun kemudian, pada tahun 1931, Ernst Ruska dan Max Knoll membangun mikroskop elektron pertama di dunia. Di dalam perangkat, sampel pertama-tama disinari oleh seberkas elektron, dan kemudian lensa elektron memperluas berkas yang melewatinya sebelum jatuh pada layar berpendar khusus. Mikroskop pertama memberikan perbesaran hanya 400 kali, tetapi penggantian cahaya dengan elektron membuka jalan bagi fotografi dengan perbesaran ratusan ribu kali: para perancang hanya perlu mengatasi beberapa kendala teknis.
Mikroskop elektron memungkinkan untuk memeriksa struktur sel dengan kualitas yang sebelumnya tidak dapat dicapai. Namun dari gambar ini mustahil untuk memahami usia sel dan keberadaan protein tertentu di dalamnya, dan informasi ini sangat diperlukan bagi para ilmuwan.
Mikroskop elektron sekarang memungkinkan pengambilan gambar virus dari jarak dekat. Ada berbagai modifikasi perangkat yang memungkinkan tidak hanya menerangi bagian tipis, tetapi juga memeriksanya dalam "cahaya yang dipantulkan" (tentu saja dalam elektron yang dipantulkan). Kami tidak akan membahas secara rinci tentang semua varian mikroskop, tetapi kami mencatat bahwa baru-baru ini para peneliti telah belajar merekonstruksi gambar dari pola difraksi.
Sentuh, bukan lihat
Revolusi lain terjadi melalui penyimpangan lebih jauh dari prinsip “cahaya dan penglihatan”. Mikroskop gaya atom, serta mikroskop terowongan pemindai, tidak lagi menyinari permukaan sampel. Sebaliknya, jarum yang sangat tipis bergerak melintasi permukaan, yang benar-benar memantul bahkan pada ketidakteraturan seukuran atom individu.
Tanpa merinci semua metode tersebut, kami mencatat hal utama: jarum mikroskop terowongan tidak hanya dapat digerakkan di sepanjang permukaan, tetapi juga digunakan untuk mengatur ulang atom dari satu tempat ke tempat lain. Beginilah cara para ilmuwan membuat prasasti, gambar, dan bahkan kartun di mana seorang anak laki-laki bermain dengan atom. Sebuah atom xenon asli diseret oleh ujung mikroskop penerowongan pemindai.
Mikroskop disebut mikroskop terowongan karena menggunakan efek arus terowongan yang mengalir melalui jarum: elektron melewati celah antara jarum dan permukaan karena efek terowongan yang diprediksi oleh mekanika kuantum. Perangkat ini memerlukan ruang hampa untuk beroperasi.
Mikroskop gaya atom (AFM) tidak terlalu menuntut kondisi lingkungan - ia dapat (dengan sejumlah batasan) beroperasi tanpa memompa udara. Dalam arti tertentu, AFM adalah penerus nanoteknologi gramofon. Jarum dipasang pada braket kantilever yang tipis dan fleksibel ( penopang dan terdapat “braket”), bergerak sepanjang permukaan tanpa memberikan tegangan padanya dan mengikuti relief sampel dengan cara yang sama seperti jarum gramofon mengikuti alur piringan hitam. Pembengkokan kantilever menyebabkan cermin yang dipasang di atasnya membelok; cermin membelokkan sinar laser, dan ini memungkinkan seseorang untuk menentukan bentuk sampel yang diteliti dengan sangat akurat. Yang utama adalah memiliki sistem pergerakan jarum yang cukup akurat, serta persediaan jarum yang harus tajam sempurna. Jari-jari kelengkungan di ujung jarum tersebut tidak boleh melebihi satu nanometer.
AFM memungkinkan Anda melihat atom dan molekul individual, namun, seperti mikroskop terowongan, AFM tidak memungkinkan Anda melihat ke bawah permukaan sampel. Dengan kata lain, ilmuwan harus memilih antara kemampuan melihat atom atau kemampuan mempelajari keseluruhan objek. Namun, bahkan untuk mikroskop optik, bagian dalam sampel yang diteliti tidak selalu dapat diakses, karena mineral atau logam biasanya tidak mentransmisikan cahaya dengan baik. Selain itu, masih terdapat kesulitan dalam memotret atom - benda tersebut tampak seperti bola sederhana, bentuk awan elektron tidak terlihat pada gambar tersebut.
Radiasi sinkrotron, yang terjadi ketika partikel bermuatan yang dipercepat oleh akselerator diperlambat, memungkinkan untuk mempelajari sisa-sisa fosil hewan prasejarah. Dengan memutar sampel di bawah sinar-X, kita dapat memperoleh tomogram tiga dimensi - misalnya, otak ditemukan di dalam tengkorak ikan yang punah 300 juta tahun lalu. Rotasi dapat dilakukan tanpa rotasi jika radiasi yang ditransmisikan direkam dengan merekam sinar-X yang tersebar akibat difraksi.
Dan ini tidak semua kemungkinan yang dibuka oleh radiasi sinar-X. Ketika disinari dengannya, banyak bahan berpendar, dan komposisi kimia suatu zat dapat ditentukan oleh sifat fluoresensi: beginilah cara para ilmuwan mewarnai artefak kuno, karya Archimedes yang terhapus pada Abad Pertengahan, atau warna bulu burung. burung yang sudah lama punah.
Pose atom
Dengan latar belakang semua kemungkinan yang diberikan oleh metode sinar-X atau fluoresensi optik, metode baru untuk memotret atom individu tidak lagi tampak seperti terobosan besar dalam sains. Inti dari metode yang memungkinkan diperolehnya gambar yang disajikan minggu ini adalah sebagai berikut: elektron dilepaskan dari atom terionisasi dan dikirim ke detektor khusus. Setiap tindakan ionisasi menghilangkan elektron dari posisi tertentu dan memberikan satu titik pada “foto”. Setelah mengumpulkan beberapa ribu titik tersebut, para ilmuwan membentuk gambar yang menunjukkan lokasi yang paling mungkin untuk mendeteksi elektron di sekitar inti atom, dan ini, menurut definisi, adalah awan elektron.
Kesimpulannya, kemampuan untuk melihat atom individu dengan awan elektronnya merupakan hal yang sangat penting dalam mikroskop modern. Penting bagi para ilmuwan untuk mempelajari struktur bahan, mempelajari sel dan kristal, dan perkembangan teknologi yang dihasilkan memungkinkan pencapaian atom hidrogen. Apa pun yang kurang dari itu sudah menjadi perhatian para spesialis fisika partikel dasar. Dan para ahli biologi, ilmuwan material, dan ahli geologi masih memiliki ruang untuk menyempurnakan mikroskop, bahkan dengan perbesaran yang cukup kecil dibandingkan dengan latar belakang atom. Ahli neurofisiologi, misalnya, telah lama ingin memiliki perangkat yang mampu melihat sel-sel individual di dalam otak yang hidup, dan pencipta penjelajah Mars akan menjual jiwa mereka demi mikroskop elektron yang dapat ditampung di pesawat ruang angkasa dan dapat bekerja di Mars.
