Atomas (iš graikų kalbos „nedalomas“) kadaise yra mažiausia mikroskopinio dydžio medžiagos dalelė, mažiausia cheminio elemento dalis, turinti jo savybes. Atomo komponentai – protonai, neutronai, elektronai – šių savybių nebeturi ir sudaro jas kartu. Kovalentiniai atomai sudaro molekules. Mokslininkai tiria atomo ypatybes ir, nors jos jau gana gerai ištirtos, nepraleidžia progos rasti ką nors naujo – ypač naujų medžiagų ir naujų atomų kūrimo srityje (tęsiant periodinę lentelę). 99,9% atomo masės yra branduolyje.
Nenusiminkite dėl pavadinimo. SLAC nacionalinės greitintuvų laboratorijos darbuotojų atsitiktinai sukurta juodoji skylė pasirodė esanti tik vieno atomo dydžio, tad mums niekas negresia. O pavadinimas „juodoji skylė“ tik nuotoliniu būdu apibūdina tyrėjų pastebėtą reiškinį. Ne kartą pasakojome apie galingiausią pasaulyje rentgeno lazerį, vadinamą
„PostScience“ paneigia mokslinius mitus ir paaiškina paplitusius klaidingus įsitikinimus. Mes paprašėme savo ekspertų pakomentuoti populiarias idėjas apie atomų struktūrą ir savybes.
Rutherfordo modelis atitinka šiuolaikines idėjas apie atomo sandarą
Tai tiesa, bet iš dalies. Planetinį atomo modelį, kuriame lengvieji elektronai skrieja aplink sunkųjį branduolį, kaip ir planetos aplink Saulę, Ernestas Rutherfordas pasiūlė 1911 m., kai jo laboratorijoje buvo atrastas pats branduolys. Subombarduodami metalinės folijos lakštą alfa dalelėmis, mokslininkai nustatė, kad didžioji dauguma dalelių prasiskverbė pro foliją, panašiai kaip šviesa per stiklą. Tačiau nedidelė jų dalis – maždaug viena iš 8000 – atsispindėjo šaltinyje. Rutherfordas šiuos rezultatus paaiškino tuo, kad masė materijoje nepasiskirsto tolygiai, o yra sutelkta į „klupus“ - atomų branduolius, turinčius teigiamą krūvį, kuris atstumia teigiamai įkrautas alfa daleles. Lengvi, neigiamo krūvio elektronai vengia „nukristi“ ant branduolio, sukdamiesi aplink juos taip, kad išcentrinė jėga subalansuotų elektrostatinę trauką.
Sakoma, kad išradęs šį modelį, Rutherfordas sušuko: „Dabar aš žinau, kaip atrodo atomas! Tačiau netrukus, įkvėptas, Rutherfordas suprato savo idėjos ydingą pobūdį. Besisukdamas aplink branduolį, elektronas aplink save sukuria kintamus elektrinius ir magnetinius laukus. Šie laukai sklinda šviesos greičiu elektromagnetinės bangos pavidalu. Ir tokia banga neša energiją! Pasirodo, sukdamasis aplink branduolį elektronas nuolat praras energiją ir per milijardines sekundės dalis nukris į branduolį. (Gali kilti klausimas, ar tą patį argumentą būtų galima pritaikyti ir Saulės sistemos planetoms: kodėl jos nenukrenta ant Saulės? Atsakymas: gravitacinės bangos, jei jos apskritai egzistuoja, yra daug silpnesnės už elektromagnetines bangas, o planetose sukaupta energija yra daug didesnė nei elektronų, todėl planetų „galios rezervas“ yra daug kartų didesnis.)
Rutherfordas nurodė savo bendradarbiui, jaunam teoretikui Nielsui Bohrui išspręsti prieštaravimą. Dvejus metus dirbęs Bohras rado dalinį sprendimą. Jis postulavo, kad tarp visų galimų elektrono orbitų yra tokių, kuriose elektronas gali išlikti ilgą laiką neišspindėdamas. Elektronas gali judėti iš vienos stacionarios orbitos į kitą, tuo pačiu sugerdamas arba išspinduliuodamas elektromagnetinio lauko kvantą, kurio energija lygi dviejų orbitų energijų skirtumui. Naudodamasis pradiniais kvantinės fizikos principais, kurie tuo metu jau buvo atrasti, Boras sugebėjo apskaičiuoti stacionarių orbitų parametrus ir atitinkamai perėjimus atitinkančias spinduliuotės kvantų energijas. Šios energijos iki to laiko buvo išmatuotos spektroskopiniais metodais, o Boro teorinės prognozės beveik idealiai sutapo su šių matavimų rezultatais!
Nepaisant šio triumfuojančio rezultato, Bohro teorija vargu ar suteikė aiškumo atominės fizikos klausimui, nes ji buvo pusiau empirinė: postuluodamas stacionarių orbitų buvimą, ji niekaip nepaaiškino jų fizinės prigimties. Kruopščiai išaiškinti šį klausimą prireikė dar mažiausiai dviejų dešimtmečių, per kuriuos kvantinė mechanika buvo sukurta kaip sisteminė, vientisa fizinė teorija.
Pagal šią teoriją elektronui taikomas neapibrėžtumo principas ir jis apibūdinamas ne materialiu tašku, kaip planeta, o bangos funkcija, „ištepta“ per visą jo orbitą. Kiekvienu laiko momentu jis yra būsenų superpozicijoje, atitinkančioje visus orbitos taškus. Kadangi masės pasiskirstymo tankis erdvėje, nustatomas pagal bangų funkciją, nepriklauso nuo laiko, aplink elektroną nesusidaro kintamasis elektromagnetinis laukas; nėra energijos nuostolių.
Taigi planetinis modelis suteikia tikrą vizualinį vaizdą, kaip atrodo atomas – Rutherfordas buvo teisus savo šauksme. Tačiau tai nepaaiškina, kaip veikia atomas: struktūra yra daug sudėtingesnė ir gilesnė, nei sumodeliavo Rutherfordas.
Baigdamas pažymiu, kad planetos modelio „mitas“ yra pačiame intelektualinės dramos, kuri prieš šimtą metų sukėlė lūžio tašką fizikoje ir iš esmės suformavo šį mokslą šiuolaikine forma, centre.
Aleksandras Lvovskis
Fizikos mokslų daktaras, Kalgario universiteto Fizikos fakulteto profesorius, mokslinės grupės vadovas, Rusijos kvantinio centro mokslinės tarybos narys, mokslo žurnalo Optics Express redaktorius
Galima valdyti atskirus atomus
Tai tiesa.Žinoma, galite, kodėl gi ne? Galite valdyti skirtingus atomo parametrus, o atomas jų turi gana daug: jis turi vietą erdvėje, greitį, taip pat yra vidiniai laisvės laipsniai. Vidiniai laisvės laipsniai lemia atomo magnetines ir elektrines savybes, taip pat jo norą skleisti šviesą ar radijo bangas. Priklausomai nuo atomo vidinės būsenos, jis gali būti daugiau ar mažiau aktyvus susidūrimų ir cheminių reakcijų metu, keisti aplinkinių atomų savybes, o jo reakcija į išorinius laukus priklauso nuo vidinės būsenos. Pavyzdžiui, medicinoje jie naudoja vadinamąsias poliarizuotas dujas, kad sukurtų plaučių tomogramas - tokiose dujose visi atomai yra toje pačioje vidinėje būsenoje, o tai leidžia „pamatyti“ tūrį, kurį jie užpildo pagal jų atsaką.
Kontroliuoti atomo greitį ar jo padėtį nėra taip sunku, daug sunkiau pasirinkti valdymui tiksliai vieną atomą. Bet tai taip pat galima padaryti. Vienas iš tokio atomų atskyrimo būdų yra realizuotas naudojant lazerinį aušinimą. Valdymui visada patogu turėti žinomą pradinę padėtį, jei atomas dar nejuda. Lazerinis aušinimas leidžia pasiekti abu, lokalizuoti atomus erdvėje ir juos atvėsinti, tai yra sumažinti jų greitį beveik iki nulio. Lazerinio aušinimo principas yra toks pat kaip ir reaktyvinio lėktuvo, tik pastarasis paspartindamas skleidžia dujų srautą, o pirmuoju atveju atomas, priešingai, sugeria fotonų (šviesos dalelių) srautą ir lėtėja. . Šiuolaikinės lazerio aušinimo technologijos gali atvėsinti milijonus atomų iki ėjimo greičio ir mažesnio. Tada pradeda veikti įvairių tipų pasyvūs spąstai, pavyzdžiui, dipolio spąstai. Jei aušinant lazeriu naudojamas šviesos laukas, kurį atomas aktyviai sugeria, tada, norint išlaikyti jį dipolio spąstuose, šviesos dažnis parenkamas toliau nuo bet kokios sugerties. Pasirodo, labai sufokusuota lazerio šviesa gali poliarizuoti mažas daleles ir dulkių grūdelius ir patraukti juos į didžiausio šviesos intensyvumo sritį. Atomas nėra išimtis ir taip pat įtraukiamas į stipriausio lauko sritį. Pasirodo, jei šviesą sufokusuosite kuo griežčiau, tokiuose spąstuose gali būti laikomas tik vienas atomas. Faktas yra tas, kad jei antrasis patenka į spąstus, tada jis pasirodo taip stipriai prispaustas prie pirmojo, kad jie sudaro molekulę ir tuo pačiu metu iškrenta iš spąstų. Tačiau toks aštrus fokusavimas nėra vienintelis būdas atskirti vieną atomą, taip pat galite naudoti atomo sąveikos su rezonatoriumi savybes įkrautiems atomams, jonams, galite naudoti elektrinius laukus, kad užfiksuotumėte ir sulaikytumėte tiksliai vieną joną; ir taip toliau. Netgi galima sužadinti vieną atomą gana ribotame atomų ansamblyje į labai stipriai sužadintą, vadinamąją Rydbergo būseną. Atomas, kartą sužadintas į Rydbergo būseną, blokuoja galimybę sužadinti savo kaimynus į tą pačią būseną ir, jei tūris su atomais yra pakankamai mažas, bus vienintelis.
Vienaip ar kitaip, užfiksavus atomą, jį galima valdyti. Vidinę būseną galima keisti šviesos ir radijo dažnių laukais, naudojant norimus dažnius ir elektromagnetinės bangos poliarizaciją. Galima perkelti atomą į bet kurią iš anksto nustatytą būseną, ar tai būtų tam tikra būsena – lygis ar jų superpozicija. Vienintelis klausimas yra reikiamų dažnių prieinamumas ir galimybė atlikti pakankamai trumpus ir galingus valdymo impulsus. Pastaruoju metu atsirado galimybė efektyviau valdyti atomus laikant juos prie nanostruktūrų, o tai leidžia ne tik efektyviau „susikalbėti“ su atomu, bet ir panaudoti patį atomą – tiksliau, jo vidines būsenas. valdyti šviesos srautą, o ateityje galbūt ir skaičiavimo tikslais.
Spąstų laikomo atomo padėties kontrolė yra labai paprasta užduotis – tereikia perkelti spąstus. Dipolio gaudyklės atveju perkelkite šviesos spindulį, o tai galima padaryti, pavyzdžiui, su judančiais veidrodžiais lazerio šou. Atomo greitis vėlgi gali būti nurodomas reaktyviu būdu – jį galima priversti sugerti šviesą, o joną nesunkiai pagreitinti elektriniai laukai, kaip tai buvo daroma katodinių spindulių vamzdeliuose. Taigi šiandien iš principo viską galima padaryti su atomu, tai tik laiko ir pastangų klausimas.
Aleksejus Akimovas
Atomas yra nedalomas
Iš dalies tiesa, iš dalies ne. Vikipedija pateikia tokį apibrėžimą: „Atomas (iš senovės graikų ἄτομος – nedalomas, nepjaustytas) yra mikroskopinio dydžio ir masės medžiagos dalelė, mažiausia cheminio elemento dalis, kuri yra jo savybių nešėja. Atomas susideda iš atomo branduolio ir elektronų."
Šiais laikais bet kuris išsilavinęs žmogus įsivaizduoja atomą Rutherfordo modelyje, trumpai pavaizduotą paskutiniu šio visuotinai priimto apibrėžimo sakiniu. Atrodytų, atsakymas į pateiktą klausimą/mitą yra akivaizdus: atomas yra sudėtinis ir sudėtingas objektas. Tačiau situacija nėra tokia aiški. Senovės filosofai į atomo apibrėžimą labiau įtraukė elementarios ir nedalomos materijos dalelės egzistavimo prasmę ir vargu ar susiejo problemą su periodinės lentelės elementų struktūra. Rutherfordo atome iš tikrųjų randame tokią dalelę – tai elektronas.
Elektronas, pagal šiuolaikines sampratas, telpa į vadinamąjį
Standartinis modelis yra taškas, kurio būsena apibūdinama padėtimi ir greičiu. Svarbu, kad vienu metu šių kinematinių charakteristikų patikslinimas neįmanomas dėl Heizenbergo neapibrėžtumo principo, tačiau įvertinus tik vieną iš jų, pavyzdžiui, koordinatę, ją galima nustatyti savavališkai dideliu tikslumu.
Ar tada įmanoma, naudojant šiuolaikines eksperimentines technologijas, bandyti lokalizuoti elektroną žymiai mažesnėje už atomo dydį (~0,5 * 10-8 cm) skalėje ir patikrinti jo taškiškumą? Pasirodo, jei bandysite lokalizuoti elektroną vadinamojo Komptono bangos ilgio skalėje – maždaug 137 kartus mažesnio už vandenilio atomo dydį – elektronas sąveikaus su jo antimedžiaga ir sistema taps nestabili.
Elektronų ir kitų elementariųjų materijos dalelių aštrumas ir nedalumas yra pagrindinis lauko teorijos trumpojo nuotolio veikimo principo elementas ir yra visose pagrindinėse lygtyse, apibūdinančiose gamtą. Taigi senovės filosofai nebuvo taip toli nuo tiesos, manydami, kad egzistuoja nedalomos materijos dalelės.
Dmitrijus Kuprijanovas
fizinių ir matematikos mokslų daktaras, fizikos profesorius, Sankt Peterburgo valstybinio politechnikos universiteto vadovas. Teorinės fizikos katedra SPbSPU
Mokslas to dar nežino. Rutherfordo planetinis atomo modelis padarė prielaidą, kad elektronai skrieja aplink atomo branduolį, kaip planetos, skriejančios aplink saulę. Tuo pat metu buvo natūralu manyti, kad elektronai yra kietos sferinės dalelės. Klasikinis Rutherfordo modelis buvo viduje prieštaringas. Akivaizdu, kad judančios pagreitintos įkrautos dalelės (elektronai) turėtų prarasti energiją dėl elektromagnetinės spinduliuotės ir galiausiai nukristi ant atomų branduolių.
Nielsas Bohras pasiūlė uždrausti šį procesą ir įvesti tam tikrus reikalavimus orbitų, kuriomis juda elektronai, spinduliams. Fenomenologinis Boro modelis užleido vietą kvantiniam atomo modeliui, kurį sukūrė Heisenbergas, ir kvantiniam, bet labiau vizualiniam atomo modeliui, kurį pasiūlė Schrödingeris. Schrödingerio modelyje elektronai yra nebe orbitoje skraidantys rutuliai, o stovinčios bangos, kurios tarsi debesys kabo virš atomo branduolio. Šių „debesų“ formą apibūdino Schrödingerio įdiegta bangų funkcija.
Iškart iškilo klausimas: kokia fizinė banginės funkcijos prasmė? Atsakymą pasiūlė Maxas Bornas: bangos funkcijos kvadratinis modulis yra tikimybė rasti elektroną tam tikrame erdvės taške. Ir čia prasidėjo sunkumai. Iškilo klausimas: ką reiškia rasti elektroną tam tikrame erdvės taške? Ar Borno teiginys neturėtų būti suprantamas kaip prisipažinimas, kad elektronas yra mažas rutulys, skriejantis tam tikra trajektorija ir kurį galima sugauti tam tikrame šios trajektorijos taške su tam tikra tikimybe?
Būtent tokio požiūrio laikosi Schrödingeris ir Albertas Einšteinas, kurie šiuo klausimu prisijungė prie jo. Jiems prieštaravo Kopenhagos mokyklos fizikai - Nielsas Bohras ir Werneris Heisenbergas, teigdami, kad tarp matavimo aktų elektronas tiesiog neegzistuoja, o tai reiškia, kad nėra prasmės kalbėti apie jo judėjimo trajektoriją. Boro ir Einšteino diskusija apie kvantinės mechanikos interpretaciją įėjo į istoriją. Atrodė, kad Bohras laimėjo: jam pavyko, nors ir nelabai aiškiai, paneigti visus Einšteino suformuluotus paradoksus ir net garsųjį „Šrodingerio katės“ paradoksą, kurį Schrodingeris suformulavo 1935 m. Keletą dešimtmečių dauguma fizikų sutiko su Bohru, kad materija nėra objektyvi tikrovė, kuri mums suteikiama pojūčiais, kaip mokė Karlas Marksas, o kažkas, kas atsiranda tik stebėjimo momentu ir neegzistuoja be stebėtojo. Įdomu tai, kad sovietmečiu universitetų filosofijos katedrose buvo mokoma, kad toks požiūris yra subjektyvus idealizmas, tai yra kryptis, prieštaraujanti objektyviam materializmui – Markso, Engelso, Lenino ir Einšteino filosofijai. Tuo pačiu metu fizikos katedrose studentai buvo mokomi, kad Kopenhagos mokyklos sąvokos yra vienintelės teisingos (galbūt todėl, kad šiai mokyklai priklausė garsiausias sovietų fizikas teoretikas Levas Landau).
Šiuo metu fizikų nuomonės išsiskiria. Viena vertus, Kopenhagos kvantinės mechanikos interpretacija ir toliau populiari. Bandymai eksperimentiškai patikrinti šio aiškinimo pagrįstumą (pavyzdžiui, prancūzų fiziko Alaino Aspe sėkmingai patikrino vadinamąją Bello nelygybę) beveik vienbalsiai pritaria mokslo bendruomenei. Kita vertus, teoretikai gana patogiai diskutuoja apie alternatyvias teorijas, tokias kaip paralelinių pasaulių teorija. Grįžtant prie elektrono, galima teigti, kad jo tikimybė išlikti biliardo kamuoliu dar nėra labai didelė. Tuo pačiu metu jie skiriasi nuo nulio. XX amžiaus 20-ajame dešimtmetyje būtent Komptono sklaidos biliardo modelis leido įrodyti, kad šviesa susideda iš kvantų – fotonų. Daugelyje problemų, susijusių su svarbiais ir naudingais įrenginiais (diodais, tranzistoriais), patogu laikyti elektroną biliardo kamuoliuku. Elektrono banginė prigimtis yra svarbi norint apibūdinti subtilesnius efektus, tokius kaip neigiama metalų magnetinė varža.
Filosofinis klausimas, ar tarp matavimo aktų egzistuoja rutulys-elektronas, įprastame gyvenime nėra labai svarbus. Tačiau šis klausimas ir toliau išlieka viena rimčiausių šiuolaikinės fizikos problemų.
Aleksejus Kavokinas
Fizinių ir matematikos mokslų kandidatas, Sautamptono universiteto profesorius, Rusijos kvantinio centro Kvantinės poliaritonikos grupės vadovas, Viduržemio jūros regiono fundamentaliosios fizikos instituto (Italija) mokslinis direktorius
Atomas gali būti visiškai sunaikintas
Tai tiesa. Lūžti nėra statyba. Galite sunaikinti bet ką, įskaitant atomą, iki bet kokio išsamumo. Pirma, atomas yra teigiamai įkrautas branduolys, apsuptas neigiamo krūvio elektronų. Pirmasis destruktyvus veiksmas, kurį galima atlikti atomui, yra atplėšti nuo jo elektronus. Tai galima padaryti įvairiais būdais: galite sufokusuoti į jį galingą lazerio spinduliuotę arba galite apšvitinti greitais elektronais ar kitomis greitomis dalelėmis. Atomas, praradęs dalį elektronų, vadinamas jonu. Būtent tokios būsenos atomai yra Saulėje, kur temperatūra tokia aukšta, kad susidūrimo metu atomams praktiškai neįmanoma išlaikyti savo elektronų.
Kuo daugiau elektronų netenka atomas, tuo sunkiau pašalinti likusius. Priklausomai nuo atominio skaičiaus, atomas turi daugiau ar mažiau elektronų. Vandenilio atomas paprastai turi tik vieną elektroną ir dažnai jį praranda net esant normalioms sąlygoms, o būtent elektronų netekęs vandenilis lemia vandens pH. Helio atomas turi du elektronus, o visiškai jonizuotas yra vadinamas alfa dalelėmis – tokiomis dalelėmis, kurių galėtume tikėtis iš branduolinio reaktoriaus, o ne iš paprasto vandens. Atomai, kuriuose yra daug elektronų, reikalauja dar daugiau energijos, kad pašalintų visus elektronus, tačiau nepaisant to, iš bet kurio atomo įmanoma pašalinti visus elektronus.
Jei visi elektronai yra nuplėšti, branduolys išlieka, bet jis taip pat gali būti sunaikintas. Branduolys susideda iš protonų ir neutronų (dažniausiai hadronų), ir nors jie yra gana tvirtai sujungti, pakankamai didelės energijos krintanti dalelė gali juos suskaidyti. Sunkieji atomai, kuriuose per daug neutronų ir protonų, yra linkę subyrėti patys, išskirdami gana daug energijos – šiuo principu veikia atominės elektrinės.
Bet net ir sulaužius branduolį ir nuplėšus visus elektronus, lieka pirminės dalelės: neutronai, protonai, elektronai. Žinoma, jie taip pat gali būti sunaikinti. Tiesą sakant, tai yra tai, ką jis daro, pagreitindamas protonus iki milžiniškų energijų, visiškai sunaikindamas juos susidūrimų metu. Tokiu atveju gimsta daug naujų dalelių, kurias tiria greitintuvas. Tą patį galima padaryti su elektronais ir bet kokiomis kitomis dalelėmis.
Sunaikintos dalelės energija neišnyksta, ji pasiskirsto tarp kitų dalelių, o jei jų yra pakankamai, tada naujų virsmų jūroje tampa neįmanoma greitai atsekti pradinės dalelės. Viską galima sunaikinti, nėra išimčių.
Aleksejus Akimovas
Fizinių ir matematikos mokslų kandidatas, Rusijos kvantinio centro „Kvantinių simuliatorių“ grupės vadovas, MIPT mokytojas, Lebedevo fizinio instituto darbuotojas, Harvardo universiteto mokslininkas
Trurlis ėmė gaudyti atomus, gramdyti iš jų elektronus, minkyti protonus, kol tik pirštai mirgėjo, paruošė protonų tešlą, dėliojo aplink ją elektronus ir – kitam atomui; Nepraėjo nė penkios minutės, kol jis rankose laikė gryno aukso luitą: jis padavė jį jam prie snukio, o ji, išbandžiusi luitą ant danties ir linktelėjo galva, pasakė:
- Ir tikrai tai auksas, bet aš negaliu taip vaikytis atomų. Aš per didelis.
- Viskas gerai, mes jums padovanosime specialų įrenginį! - Trurlas jį įtikino.
Stanislavas Lemas, Kiberiada
Ar įmanoma, naudojant mikroskopą, pamatyti atomą, atskirti jį nuo kito atomo, stebėti cheminės jungties sunaikinimą ar susidarymą ir pamatyti, kaip viena molekulė virsta kita? Taip, jei tai ne paprastas mikroskopas, o atominės jėgos. Ir jūs neturite apsiriboti stebėjimu. Gyvename laikais, kai atominės jėgos mikroskopas nebėra tik langas į mikropasaulį. Šiandien šis instrumentas gali būti naudojamas atomams perkelti, cheminiams ryšiams nutraukti, atskirų molekulių tempimo ribai tirti ir netgi žmogaus genomui tirti.
Raidės pagamintos iš ksenono pikselių
Pažvelgti į atomus ne visada buvo taip paprasta. Atominės jėgos mikroskopo istorija prasidėjo 1979 m., kai Gerd Karl Binnig ir Heinrich Rohrer, dirbantys IBM tyrimų centre Ciuriche, pradėjo kurti instrumentą, kuris leistų tyrinėti paviršius atomine skiriamąja geba. Norėdami sukurti tokį prietaisą, mokslininkai nusprendė panaudoti tunelinį efektą – elektronų gebėjimą įveikti iš pažiūros neįveikiamas kliūtis. Idėja buvo nustatyti atomų padėtį mėginyje, išmatuojant tunelinės srovės, kylančios tarp skenuojančio zondo ir tiriamo paviršiaus, stiprumą.
Binnigui ir Rohreriui pavyko, jie įėjo į istoriją kaip skenuojančio tunelinio mikroskopo (STM) išradėjai, o 1986 m. gavo Nobelio fizikos premiją. Skenuojantis tunelinis mikroskopas padarė tikrą revoliuciją fizikoje ir chemijoje.
1990 metais Donas Eigleris ir Erhardas Schweitzeris, dirbę IBM tyrimų centre Kalifornijoje, parodė, kad STM galima naudoti ne tik atomams stebėti, bet ir manipuliuoti jais. Naudodami skenuojantį tunelinį mikroskopinį zondą, jie sukūrė bene populiariausią vaizdą, simbolizuojantį chemikų perėjimą prie darbo su atskirais atomais – ant nikelio paviršiaus nutapė tris raides su 35 ksenono atomais (1 pav.).
Binnigas neužmigo ant laurų – tais metais, kai gavo Nobelio premiją, kartu su Christopheriu Gerberiu ir Kelvinu Quaite, kurie taip pat dirbo IBM Ciuricho tyrimų centre, pradėjo dirbti su kitu mikropasaulio tyrimo įrenginiu, neturinčiu trūkumų. būdingas STM. Faktas yra tas, kad skenuojamojo tunelinio mikroskopo pagalba buvo neįmanoma ištirti dielektrinių paviršių, o tik laidininkus ir puslaidininkius, o pastariesiems analizuoti reikėjo sukurti reikšmingą vakuumą tarp jų ir mikroskopo zondo. Suprasdami, kad sukurti naują įrenginį buvo lengviau nei atnaujinti esamą, Binnig, Gerber ir Quaite išrado atominės jėgos mikroskopą arba AFM. Jo veikimo principas kardinaliai skiriasi: norėdami gauti informacijos apie paviršių, jie matuoja ne srovės stiprumą, atsirandantį tarp mikroskopo zondo ir tiriamo mėginio, bet tarp jų atsirandančių traukos jėgų, tai yra silpnų, vertę. ne cheminės sąveikos – van der Waalso jėgos.
Pirmasis veikiantis AFM modelis buvo gana paprastas. Tyrėjai per mėginio paviršių perkėlė deimantinį zondą, prijungtą prie lankstaus mikromechaninio jutiklio – konsolės, pagamintos iš auksinės folijos (tarp zondo ir atomo atsiranda trauka, konsolė susilenkia priklausomai nuo traukos jėgos ir deformuoja pjezoelektrą) . Konsolės lenkimo laipsnis buvo nustatytas naudojant pjezoelektrinius jutiklius – panašiai kaip vinilinės plokštelės grioveliai ir įdubos paverčiami garso įrašu. Atominės jėgos mikroskopo konstrukcija leido aptikti iki 10–18 niutonų patrauklias jėgas. Praėjus metams po veikiančio prototipo sukūrimo, mokslininkai sugebėjo gauti grafito paviršiaus topografijos vaizdą su 2,5 angstremo skiriamąja geba.
Per tris dešimtmečius, praėjusius nuo to laiko, AFM buvo naudojamas tirti beveik bet kokį cheminį objektą – nuo keraminės medžiagos paviršiaus iki gyvų ląstelių ir atskirų molekulių, tiek statinėje, tiek dinaminėje būsenoje. Atominės jėgos mikroskopija tapo chemikų ir medžiagų mokslininkų darbo arkliu, o šiuo metodu atliekamų tyrimų skaičius nuolat auga (2 pav.).
Bėgant metams mokslininkai parinko sąlygas ir kontaktiniam, ir nekontaktiniam objektų tyrimui naudojant atominės jėgos mikroskopiją. Kontaktinis metodas aprašytas aukščiau ir pagrįstas van der Waals sąveika tarp konsolės ir paviršiaus. Veikdamas nekontaktiniu režimu, pjezovibratorius sužadina zondo svyravimus tam tikru dažniu (dažniausiai rezonansiniu). Jėga, veikianti nuo paviršiaus, keičia zondo virpesių amplitudę ir fazę. Nepaisant kai kurių bekontakčio metodo trūkumų (pirmiausia jautrumo išoriniam triukšmui), jis pašalina zondo įtaką tiriamam objektui, todėl yra įdomesnis chemikams.
Gyvas zonduose, ieško ryšių
Binnigo mokinio Franzo Josefo Gissibl darbo dėka atominės jėgos mikroskopija tapo nekontaktine 1998 m. Būtent jis pasiūlė kaip konsolę naudoti stabilaus dažnio kvarcinį etaloninį generatorių. Po 11 metų mokslininkai iš IBM laboratorijos Ciuriche ėmėsi dar vienos nekontaktinės AFM modifikacijos: jutiklio zondo vaidmenį atliko ne aštrus deimantinis kristalas, o viena molekulė – anglies monoksidas. Tai leido pereiti prie subatominės skiriamosios gebos, kaip parodė Leo Grossas iš IBM Ciuricho departamento. 2009 m. naudodamas AFM jis padarė matomus ne atomus, o cheminius ryšius, gaudamas gana aiškų ir nedviprasmiškai įskaitomą pentaceno molekulės „vaizdą“ (3 pav.; Mokslas, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/mokslas.1176210).
Įsitikinęs, kad cheminius ryšius galima pamatyti naudojant AFM, Leo Grossas nusprendė eiti toliau ir panaudoti atominės jėgos mikroskopą, kad išmatuotų jungčių ilgį ir eiles – pagrindinius parametrus, padedančius suprasti cheminę struktūrą, taigi ir medžiagų savybes.
Prisiminkite, kad ryšių eiliškumo skirtumai rodo skirtingą elektronų tankį ir skirtingus tarpatominius atstumus tarp dviejų atomų (paprasčiau tariant, dviguba jungtis yra trumpesnė nei vienguba). Etane anglies-anglies jungties tvarka yra viena, etilene - dvi, o klasikinėje aromatinėje molekulėje benzene anglies-anglies jungties tvarka yra didesnė nei viena, bet mažesnė nei dvi, ir laikoma, kad ji yra 1,5.
Ryšio tvarką nustatyti yra daug sunkiau, kai nuo paprastų aromatinių sistemų pereinama prie plokščių arba tūrinių polikondensuotų ciklinių sistemų. Taigi fullerenų, sudarytų iš kondensuotų penkių ir šešių narių anglies žiedų, jungčių tvarka gali būti bet kokia vertė nuo vieno iki dviejų. Toks pat neapibrėžtumas teoriškai būdingas ir policikliniams aromatiniams junginiams.
2012 m. Leo Grossas kartu su Fabianu Mohnu parodė, kad atominės jėgos mikroskopas su bekontakčiu metaliniu zondu, modifikuotu anglies monoksidu, gali išmatuoti atomų krūvio pasiskirstymo skirtumus ir tarpatominius atstumus, ty parametrus, susijusius su ryšių tvarka ( Mokslas, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Norėdami tai padaryti, jie ištyrė dviejų tipų cheminius ryšius fullerene – anglies-anglies ryšį, bendrą dviem šešių narių anglies turintiems C60 fullereno žiedams, ir anglies-anglies ryšį, bendrą penkiems ir šešiems. -narių žiedai. Atominės jėgos mikroskopas parodė, kad šešių narių žiedų kondensacija sukuria ryšį, kuris yra trumpesnis ir didesnės eilės nei kondensuojantis cikliniams fragmentams C 6 ir C 5 . Cheminio ryšio ypatybių tyrimas heksabenzokoronene, kai aplink centrinį C 6 žiedą simetriškai išsidėstę dar šeši C 6 žiedai, patvirtino kvantinio cheminio modeliavimo rezultatus, pagal kuriuos centrinio žiedo C-C ryšių tvarka ( 4 pav., raidė i) turi būti didesnis už ryšius, jungiančius šį žiedą su periferiniais ciklais (4 pav. raidė j). Panašūs rezultatai gauti ir sudėtingesniam policikliniam aromatiniam angliavandeniliui, turinčiam devynis šešių narių žiedus.
Ryšių tvarka ir tarpatominiai atstumai, žinoma, domino organinius chemikus, tačiau tai buvo svarbiau tiems, kurie studijavo cheminių jungčių teoriją, numatė reaktyvumą ir tyrinėjo cheminių reakcijų mechanizmus. Tačiau tiek sintetinių chemikų, tiek natūralių junginių sandarą tyrinėjančių specialistų laukė staigmena: paaiškėjo, kad atominės jėgos mikroskopu galima nustatyti molekulių struktūrą taip pat, kaip ir BMR ar IR spektroskopija. Be to, jis pateikia aiškų atsakymą į klausimus, kurių šie metodai negali išspręsti.
Nuo fotografijos iki kino
2010 metais tas pats Leo Grossas ir Raineris Ebelis sugebėjo nedviprasmiškai nustatyti natūralaus junginio - cefalandolio A, išskirto iš bakterijos, struktūrą. Dermacoccus abyssi(Gamtos chemija, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Cefalandolio A sudėtis anksčiau buvo nustatyta naudojant masių spektrometriją, tačiau šio junginio BMR spektrų analizė nedavė aiškaus atsakymo į jo struktūros klausimą: galimi keturi variantai. Naudodami atominės jėgos mikroskopą, mokslininkai iš karto pašalino dvi iš keturių struktūrų, o likusias dvi teisingai pasirinko palyginę rezultatus, gautus naudojant AFM ir kvantinį cheminį modeliavimą. Užduotis pasirodė sunki: skirtingai nuo pentaceno, fullereno ir koronenų, cefalandolyje A yra ne tik anglies ir vandenilio atomai, be to, ši molekulė neturi simetrijos plokštumos (5 pav.) – tačiau ši problema taip pat buvo išspręsta.
Tolesnis patvirtinimas, kad atominės jėgos mikroskopas gali būti naudojamas kaip analitinis įrankis, buvo gautas Oskaro Kustanzos grupėje, kuri tuo metu dirbo Osakos universiteto Inžinerijos mokykloje. Jis parodė, kaip naudojant AFM atskirti atomus, kurie skiriasi vienas nuo kito daug mažiau nei anglis ir vandenilis ( Gamta, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustants ištyrė lydinio, sudaryto iš silicio, alavo ir švino, kurio kiekvieno elemento kiekis yra žinomas, paviršių. Atlikęs daugybę eksperimentų, jis nustatė, kad jėga, sukuriama tarp AFM zondo galo ir skirtingų atomų, skiriasi (6 pav.). Pavyzdžiui, stipriausia sąveika buvo stebima zonduojant silicį, o silpniausia sąveika buvo stebima zonduojant šviną.
Daroma prielaida, kad ateityje atominės jėgos mikroskopijos rezultatai atskiriems atomams atpažinti bus apdorojami taip pat, kaip ir BMR rezultatai – lyginant santykines reikšmes. Kadangi tikslią jutiklio antgalio sudėtį sunku kontroliuoti, absoliuti jėgos tarp jutiklio ir įvairių paviršiaus atomų vertė priklauso nuo eksperimento sąlygų ir įrenginio prekės ženklo, tačiau šių jėgų santykis bet kokiai sudėčiai ir formai jutiklis išlieka pastovus kiekvienam cheminiam elementui.
2013 m. pasirodė pirmieji AFM panaudojimo pavyzdžiai atskirų molekulių atvaizdams gauti prieš ir po cheminių reakcijų: sukuriamas reakcijos produktų ir tarpinių junginių „fotorinkinys“, kurį vėliau galima montuoti į savotišką dokumentinį filmą ( Mokslas, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/mokslas.1238187 ).
Felixas Fischeris ir Michaelas Crommie iš Kalifornijos universiteto Berklyje padengė paviršių sidabru 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzenas, vaizdavo molekules ir kaitino paviršių, kad būtų pradėta ciklizacija. Pusė pradinių molekulių virto policiklinėmis aromatinėmis struktūromis, susidedančiomis iš penkių šešių narių ir dviejų penkių narių žiedų. Kitas ketvirtadalis molekulių sudarė struktūras, susidedančias iš keturių šešių narių žiedų, sujungtų per vieną keturių narių žiedą, ir dviejų penkių narių žiedų (7 pav.). Likę produktai buvo oligomerinės struktūros ir nedideliais kiekiais policikliniai izomerai.
Šie rezultatai tyrėjus nustebino du kartus. Pirma, reakcijos metu susidarė tik du pagrindiniai produktai. Antra, nustebino jų struktūra. Fisheris pastebi, kad cheminė intuicija ir patirtis leido nupiešti dešimtis galimų reakcijos produktų, tačiau nė vienas iš jų neatitiko paviršiuje susidariusių junginių. Gali būti, kad netipinių cheminių procesų atsiradimą palengvino pradinių medžiagų sąveika su substratu.
Natūralu, kad po pirmųjų rimtų pasisekimų tiriant cheminius ryšius kai kurie mokslininkai nusprendė naudoti AFM, kad stebėtų silpnesnes ir mažiau ištirtas tarpmolekulines sąveikas, ypač vandenilio ryšius. Tačiau darbas šioje srityje tik prasideda, o rezultatai prieštaringi. Taigi kai kuriose publikacijose rašoma, kad atominės jėgos mikroskopija leido stebėti vandenilio ryšį ( Mokslas, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), kiti teigia, kad tai tik artefaktai dėl įrenginio dizaino ypatybių, o eksperimento rezultatus reikia interpretuoti atidžiau ( Fizinės apžvalgos laiškai, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103 / PhysRevLett.113.186102). Galbūt galutinis atsakymas į klausimą, ar vandenilio ir kitos tarpmolekulinės sąveikos gali būti stebimos naudojant atominės jėgos mikroskopiją, bus gautas jau šiame dešimtmetyje. Norėdami tai padaryti, turite bent kelis kartus padidinti AFM skiriamąją gebą ir išmokti gauti vaizdus be trukdžių ( Fizinė apžvalga B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103 / PhysRevB.90.085421).
Vienos molekulės sintezė
Įgudusiose rankose tiek STM, tiek AFM iš prietaisų, galinčių tirti materiją, virsta prietaisais, galinčiais tikslingai keisti materijos struktūrą. Šių prietaisų pagalba jau pavyko gauti „mažiausias chemines laboratorijas“, kuriose vietoj kolbos naudojamas substratas, o vietoj reaguojančių medžiagų molių ar milimolių – atskiros molekulės.
Pavyzdžiui, 2016 m. tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama Takashi Kumagai, naudojo nekontaktinę atominės jėgos mikroskopiją, kad paverstų porficeno molekulę iš vienos formos į kitą ( Gamtos chemija, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porficenas gali būti laikomas porfirino modifikacija, kurios vidiniame žiede yra keturi azoto atomai ir du vandenilio atomai. AFM zondo vibracijos perdavė pakankamai energijos porficeno molekulei, kad šie vandeniliai būtų perkelti iš vieno azoto atomo į kitą, ir rezultatas buvo šios molekulės „veidrodinis vaizdas“ (8 pav.).
Nenuilstančio Leo Gross vadovaujama komanda taip pat parodė, kad įmanoma inicijuoti vienos molekulės reakciją – jie pavertė dibromantraceną į dešimties narių ciklinį diiną (9 pav.; Gamtos chemija, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Skirtingai nei Kumagai ir kt., jie molekulei aktyvuoti naudojo skenuojantį tunelinį mikroskopą, o reakcijos rezultatas buvo stebimas naudojant atominės jėgos mikroskopą.
Kartu naudojant skenuojantį tunelinį mikroskopą ir atominės jėgos mikroskopą netgi buvo įmanoma gauti molekulę, kurios negalima susintetinti naudojant klasikinius metodus ir metodus. Gamtos nanotechnologijos, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Tai trikampis – nestabilus aromatinis diradikalas, kurio egzistavimas buvo prognozuojamas prieš šešis dešimtmečius, tačiau visi sintezės bandymai buvo nesėkmingi (10 pav.). Niko Pavlicek grupės chemikai gavo norimą junginį pašalindami du vandenilio atomus iš jo pirmtako naudodami STM ir patvirtindami sintetinį rezultatą naudodami AFM.
Tikimasi, kad darbų, skirtų atominės jėgos mikroskopijos panaudojimui organinėje chemijoje, skaičius ir toliau augs. Šiuo metu vis daugiau mokslininkų bando pakartoti paviršiuje reakcijas, kurios gerai žinomos „tirpalo chemijoje“. Tačiau galbūt sintetiniai chemikai pradės atgaminti tirpale reakcijas, kurios iš pradžių buvo atliktos paviršiuje naudojant AFM.
Nuo negyvenamo iki gyvo
Atominių jėgų mikroskopų konsolės ir zondai gali būti naudojami ne tik analitiniams tyrimams ar egzotinių molekulių sintezei, bet ir taikomųjų problemų sprendimui. Jau žinomi AFM panaudojimo medicinoje atvejai, pavyzdžiui, ankstyvai vėžio diagnostikai, o čia pradininkas yra tas pats Christopheris Gerberis, prisidėjęs prie atominės jėgos mikroskopijos principo kūrimo ir AFM kūrimo.
Taigi Gerberis sugebėjo išmokyti AFM aptikti taškines ribonukleino rūgšties mutacijas melanomos atveju (medžiagoje, gautoje atlikus biopsiją). Norėdami tai padaryti, atominės jėgos mikroskopo auksinė konsolė buvo modifikuota oligonukleotidais, kurie gali sąveikauti su RNR, o šios sąveikos stiprumą taip pat galima išmatuoti dėl pjezoelektrinio efekto. AFM jutiklio jautrumas toks didelis, kad juo jau bandoma tirti populiaraus genomo redagavimo metodo CRISPR-Cas9 efektyvumą. Čia susijungia skirtingų tyrėjų kartų sukurtos technologijos.
Perfrazuodami vienos iš politinių teorijų klasiką, galime pasakyti, kad jau matome neribotas atominės jėgos mikroskopijos galimybes ir neišsemiamumą ir sunkiai įsivaizduojame, kas laukia tolimesnio šių technologijų vystymosi. Tačiau šiandien skenuojantys tuneliniai mikroskopai ir atominės jėgos mikroskopai suteikia mums galimybę pamatyti ir paliesti atomus. Galima sakyti, kad tai ne tik mūsų akių pratęsimas, leidžiantis pažvelgti į atomų ir molekulių mikrokosmosą, bet ir naujos akys, nauji pirštai, galintys paliesti ir valdyti šį mikrokosmosą.
Fizikams iš JAV pavyko užfiksuoti atskirus atomus nuotraukose rekordine raiška, praneša Day.Az su nuoroda į Vesti.ru.
JAV Kornelio universiteto mokslininkams pavyko užfiksuoti atskirus atomus nuotraukose rekordine raiška – mažiau nei puse angstremo (0,39 Å). Ankstesnių nuotraukų skyra buvo perpus mažesnė – 0,98 Å.
Galingi elektroniniai mikroskopai, galintys matyti atomus, egzistuoja jau pusę amžiaus, tačiau jų skiriamąją gebą riboja matomos šviesos bangos ilgis, didesnis nei vidutinio atomo skersmuo.
Todėl mokslininkai naudoja tam tikrą lęšių analogą, kuris sufokusuoja ir padidina vaizdus elektroniniuose mikroskopuose – tai magnetinis laukas. Tačiau magnetinio lauko svyravimai iškreipia gautus rezultatus. Norėdami pašalinti iškraipymus, naudojami papildomi prietaisai, kurie koreguoja magnetinį lauką, tačiau tuo pačiu padidina elektroninio mikroskopo konstrukcijos sudėtingumą.
Anksčiau Kornelio universiteto fizikai sukūrė elektronų mikroskopo pikselių masyvo detektorių (EMPAD), kuris pakeičia sudėtingą generatorių sistemą, kuri sufokusuoja gaunamus elektronus į vieną mažą matricą, kurios skiriamoji geba yra 128x128 pikselių, jautrių atskiriems elektronams. Kiekvienas pikselis įrašo elektrono atspindžio kampą; Tai žinodami, mokslininkai naudoja ptiakografijos techniką, kad atkurtų elektronų charakteristikas, įskaitant taško, iš kurio jis buvo paleistas, koordinates.
Aukščiausios skiriamosios gebos atomai
David A. Muller ir kt. Gamta, 2018 m.
2018 metų vasarą fizikai nusprendė pagerinti gautų vaizdų kokybę iki rekordinės raiškos iki šiol. Mokslininkai prie judančio pluošto pritvirtino 2D medžiagos, molibdeno sulfido MoS2, lakštą ir paleido elektronų pluoštus, sukdami spindulį skirtingais kampais į elektronų šaltinį. Naudodami EMPAD ir ptaikografiją, mokslininkai nustatė atstumus tarp atskirų molibdeno atomų ir gavo rekordinės 0,39 Å skiriamosios gebos vaizdą.
„Iš esmės sukūrėme mažiausią liniją pasaulyje“, – aiškina Sol Gruner, vienas iš eksperimento autorių. Gautame vaizde buvo galima išskirti sieros atomus, kurių rekordinė skiriamoji geba yra 0, 39 Å. Be to, netgi buvo galima įžvelgti vietą, kurioje trūko vieno tokio atomo (nurodyta rodykle).
Sieros atomai rekordine raiška
Vandenilio atomas, gaudantis elektronų debesis. Ir nors šiuolaikiniai fizikai, naudodami greitintuvus, gali net nustatyti protono formą, vandenilio atomas, matyt, liks mažiausiu objektu, kurio atvaizdą prasminga vadinti fotografija. Lenta.ru pristato šiuolaikinių mikropasaulio fotografavimo metodų apžvalgą.
Griežtai kalbant, šiais laikais įprastos fotografijos beveik nebeliko. Vaizdai, kuriuos mes įprastai vadiname nuotraukomis ir kuriuos galima rasti, pavyzdžiui, bet kuriame Lenta.ru nuotraukų reportaže, iš tikrųjų yra kompiuteriniai modeliai. Šviesai jautri matrica specialiame įrenginyje (tradiciškai ji ir toliau vadinama „kamera“) nustato šviesos intensyvumo erdvinį pasiskirstymą keliuose skirtinguose spektriniuose diapazonuose, valdymo elektronika išsaugo šiuos duomenis skaitmenine forma, o tada kita elektroninė grandinė, remdamasis šiais duomenimis, duoda komandą skystųjų kristalų ekrane esantiems tranzistoriams. Plėvelė, popierius, specialūs jų apdorojimo sprendimai – visa tai tapo egzotika. O jei prisiminsime tiesioginę žodžio reikšmę, tai fotografija yra „šviesos tapyba“. Taigi, ką galime pasakyti, kad mokslininkams pavyko nufotografuoti atomas, įmanomas tik esant pakankamai susitarimui.
Daugiau nei pusė visų astronominių vaizdų jau seniai buvo daromi infraraudonųjų, ultravioletinių ir rentgeno spindulių teleskopais. Elektroniniai mikroskopai apšvitina ne šviesa, o elektronų pluoštu, o atominės jėgos mikroskopai net adata nuskaito mėginio reljefą. Yra rentgeno mikroskopai ir magnetinio rezonanso skeneriai. Visi šie įrenginiai mums suteikia tikslius įvairių objektų vaizdus ir, nepaisant to, kad, žinoma, čia nereikia kalbėti apie „šviesos tapybą“, vis tiek leisime sau tokius vaizdus vadinti fotografijomis.
Fizikų eksperimentai, skirti nustatyti protono formą ar kvarkų pasiskirstymą dalelių viduje, liks užkulisiuose; mūsų istorija apsiribos atomų mastu.
Optika niekada nesensta
Kaip paaiškėjo XX amžiaus antroje pusėje, optiniai mikroskopai dar turi kur tobulėti. Lemiamas momentas biologiniuose ir medicininiuose tyrimuose buvo fluorescencinių dažų ir metodų, leidžiančių pasirinktinai ženklinti tam tikras medžiagas, atsiradimas. Tai nebuvo „tik naujas dažų sluoksnis“, tai buvo tikra revoliucija.
Priešingai populiariems įsitikinimams, fluorescencija visai nėra švytėjimas tamsoje (pastarasis vadinamas liuminescencija). Tai yra tam tikros energijos kvantų (tarkime, mėlynos šviesos) sugerties reiškinys, vėliau išspinduliuojant kitus mažesnės energijos kvantus ir atitinkamai kitą šviesą (susigėrus mėlynai, skleis žalios spalvos). Įdėjus šviesos filtrą, kuris praleidžia tik dažų skleidžiamus kvantus ir blokuoja šviesą, sukeliančią fluorescenciją, matosi tamsus fonas su ryškiomis dažų dėmėmis, o dažai savo ruožtu gali itin selektyviai nuspalvinti mėginį.
Pavyzdžiui, nervinės ląstelės citoskeletą galite nuspalvinti raudona spalva, sinapses – žalia spalva, o branduolį – mėlyna spalva. Galite pagaminti fluorescencinę etiketę, kuri tam tikromis sąlygomis leis aptikti baltymų receptorius ant membranos arba ląstelės sintezuojamas molekules. Imunohistocheminis dažymo metodas padarė perversmą biologijos moksle. O kai genų inžinieriai išmoko pagaminti transgeninius gyvūnus su fluorescenciniais baltymais, šis metodas atgimė: pavyzdžiui, pelės su skirtingomis spalvomis nudažytais neuronais tapo realybe.
Be to, inžinieriai sugalvojo (ir praktikavo) vadinamosios konfokalinės mikroskopijos metodą. Jo esmė slypi tame, kad mikroskopas fokusuoja labai ploną sluoksnį, o speciali diafragma nupjauna apšvietimą, kurį sukuria už šio sluoksnio esantys objektai. Toks mikroskopas gali nuosekliai nuskaityti mėginį iš viršaus į apačią ir gauti vaizdų šūsnį, kuris yra paruoštas trimačio modelio pagrindas.
Lazerių ir sudėtingų optinio pluošto valdymo sistemų naudojimas išsprendė dažų blukimo ir subtilių biologinių mėginių džiūvimo ryškioje šviesoje problemą: lazerio spindulys nuskaito mėginį tik tada, kai tai būtina vaizdavimui. O kad nebūtų gaištas laikas ir jėgų tiriant didelį pavyzdį per siauro matymo lauko okuliarą, inžinieriai pasiūlė automatinę nuskaitymo sistemą: ant modernaus mikroskopo scenos galite uždėti stiklinę su pavyzdžiu, o prietaisas savarankiškai nufotografuokite didelio masto viso mėginio panoramą. Tuo pačiu metu jis sufokusuos reikiamas vietas ir sujungs daug kadrų.
Kai kuriuose mikroskopuose gali būti gyvų pelių, žiurkių ar bent mažų bestuburių gyvūnų. Kiti suteikia nedidelį padidinimą, tačiau yra derinami su rentgeno aparatu. Siekiant pašalinti vibracijos trikdžius, daugelis jų montuojami ant specialių keletą tonų sveriančių stalų patalpose su kruopščiai kontroliuojamu mikroklimatu. Tokių sistemų kaina lenkia kitų elektroninių mikroskopų kainą, o gražiausio kadro konkursai jau seniai tapo tradicija. Be to, toliau tobulinama optika: nuo geriausių stiklo tipų paieškos ir optimalių lęšių derinių parinkimo, inžinieriai perėjo prie šviesos fokusavimo būdų.
Mes specialiai išvardijome keletą techninių detalių, siekdami parodyti, kad pažanga biologinių tyrimų srityje jau seniai buvo siejama su pažanga kitose srityse. Jei nebūtų kompiuterių, kurie galėtų automatiškai suskaičiuoti nudažytų ląstelių skaičių keliuose šimtuose nuotraukų, supermikroskopai būtų mažai naudingi. O be fluorescencinių dažiklių visi milijonai ląstelių būtų niekuo neišsiskiriantys, todėl stebėti naujų formavimąsi ar senų žūtį būtų beveik neįmanoma.
Iš esmės pirmasis mikroskopas buvo spaustukas su pritvirtintu sferiniu lęšiu. Tokio mikroskopo analogas gali būti paprasta žaidimo korta su joje padaryta skylute ir vandens lašeliu. Remiantis kai kuriais pranešimais, panašius prietaisus aukso kasėjai Kolymoje naudojo jau praėjusiame amžiuje.
Už difrakcijos ribos
Optiniai mikroskopai turi esminį trūkumą. Faktas yra tai, kad naudojant šviesos bangų formą neįmanoma atkurti tų objektų, kurie pasirodė daug trumpesni už bangos ilgį, formos: taip pat sėkmingai galite pabandyti ranka patyrinėti smulkią medžiagos tekstūrą. stora suvirinimo pirštinė.
Difrakcijos sukurti apribojimai buvo iš dalies įveikti, nepažeidžiant fizikos dėsnių. Dvi aplinkybės padeda optiniams mikroskopams pasinerti po difrakcijos barjeru: tai, kad fluorescencijos metu kvantus išskiria atskiros dažų molekulės (kurios gali būti gana toli viena nuo kitos), ir tai, kad sudėjus šviesos bangas galima gauti ryškų. dėmė, kurios skersmuo mažesnis už bangos ilgį.
Kai šviesos bangos yra viena ant kitos, jos gali viena kitą panaikinti, todėl pavyzdžio apšvietimo parametrai nustatomi taip, kad į šviesiąją sritį patektų kuo mažesnis plotas. Kartu su matematiniais algoritmais, kurie leidžia, pavyzdžiui, pašalinti vaizdo šešėlius, toks kryptingas apšvietimas labai pagerina fotografavimo kokybę. Pasidaro įmanoma, pavyzdžiui, optiniu mikroskopu ištirti intraląstelines struktūras ir netgi (aprašytą metodą derinant su konfokaline mikroskopija) gauti trimačius jų vaizdus.
Elektroninis mikroskopas prie elektroninių prietaisų
Norint atrasti atomus ir molekules, mokslininkams nereikėjo į juos žiūrėti – molekulinei teorijai objekto matyti nereikėjo. Tačiau mikrobiologija tapo įmanoma tik išradus mikroskopą. Todėl iš pradžių mikroskopai buvo siejami būtent su medicina ir biologija: žymiai mažesnius objektus tyrinėję fizikai ir chemikai apsigyvendavo kitomis priemonėmis. Kai jie norėjo pažvelgti į mikropasaulį, difrakcijos apribojimai tapo rimta problema, ypač todėl, kad aukščiau aprašyti fluorescencinės mikroskopijos metodai vis dar nebuvo žinomi. Ir nėra prasmės didinti skiriamąją gebą nuo 500 iki 100 nanometrų, jei objektas, kurį reikia ištirti, yra dar mažesnis!
Žinodami, kad elektronai gali elgtis ir kaip banga, ir kaip dalelė, fizikai iš Vokietijos 1926 metais sukūrė elektroninį lęšį. Jo idėja buvo labai paprasta ir suprantama bet kuriam moksleiviui: kadangi elektromagnetinis laukas nukreipia elektronus, juo galima pakeisti šių dalelių pluošto formą, traukiant jas skirtingomis kryptimis, arba, atvirkščiai, sumažinti skersmenį. sijos. Po penkerių metų, 1931 m., Ernstas Ruska ir Maxas Knollas pastatė pirmąjį pasaulyje elektroninį mikroskopą. Įrenginyje mėginys pirmiausia buvo apšviestas elektronų pluoštu, o po to elektroninis lęšis išplėtė spindulį, kuris praėjo, kol jis nukrito ant specialaus liuminescencinio ekrano. Pirmasis mikroskopas padidino tik 400 kartų, tačiau šviesos pakeitimas elektronais atvėrė kelią į fotografiją, padidinančią šimtus tūkstančių kartų: dizaineriams tereikėjo įveikti keletą techninių kliūčių.
Elektroninis mikroskopas leido ištirti ląstelių struktūrą iki tol nepasiekiama kokybe. Tačiau iš šio vaizdo neįmanoma suprasti ląstelių amžiaus ir tam tikrų baltymų buvimo jose, o ši informacija yra labai reikalinga mokslininkams.
Elektroniniai mikroskopai dabar leidžia fotografuoti virusus iš arti. Yra įvairių prietaisų modifikacijų, leidžiančių ne tik apšviesti plonus pjūvius, bet ir juos tirti „atspindintoje šviesoje“ (žinoma, atspindėtuose elektronuose). Mes nekalbėsime išsamiai apie visus mikroskopų variantus, tačiau pastebime, kad pastaruoju metu mokslininkai išmoko atkurti vaizdą pagal difrakcijos modelį.
Palieskite, o ne žiūrėkite
Kita revoliucija įvyko toliau nukrypstant nuo principo „šviesa ir matai“. Atominės jėgos mikroskopas, kaip ir skenuojantis tunelinis mikroskopas, ant mėginių paviršiaus nieko nebešviečia. Vietoj to, ypač plona adata juda paviršiumi, tiesiogine prasme atšokdama net per atskiro atomo dydžio nelygumus.
Nesigilindami į visų tokių metodų detales, atkreipiame dėmesį į pagrindinį dalyką: tunelinio mikroskopo adatą galima ne tik perkelti išilgai paviršiaus, bet ir panaudoti atomams pertvarkyti iš vienos vietos į kitą. Taip mokslininkai kuria užrašus, piešinius ir net karikatūras, kuriose nupieštas berniukas žaidžia su atomu. Tikras ksenono atomas, traukiamas skenuojančio tunelinio mikroskopo galiuko.
Mikroskopas vadinamas tuneliniu mikroskopu, nes jame naudojamas adata tekančios tunelinės srovės efektas: elektronai praeina pro tarpą tarp adatos ir paviršiaus dėl kvantinės mechanikos prognozuojamo tunelinio efekto. Šiam įrenginiui veikti reikalingas vakuumas.
Atominės jėgos mikroskopas (AFM) yra daug mažiau reiklus aplinkos sąlygoms – jis gali (su tam tikrais apribojimais) veikti neišsiurbdamas oro. Tam tikra prasme AFM yra nanotechnologinis gramofono įpėdinis. Ant plono ir lankstaus konsolinio laikiklio pritvirtinta adata ( konsolė ir yra „laikiklis“), juda išilgai paviršiaus, nenaudodama jo įtampos ir seka mėginio reljefą taip pat, kaip gramofono adata seka gramofono įrašo grioveliais. Konsolės lenkimas lemia, kad ant jo sumontuotas veidrodis nukreipia lazerio spindulį, ir tai leidžia labai tiksliai nustatyti tiriamo pavyzdžio formą. Svarbiausia, kad būtų pakankamai tiksli adatos judinimo sistema, taip pat adatų atsargos, kurios turi būti visiškai aštrios. Tokių adatų galiukų kreivio spindulys negali viršyti vieno nanometro.
AFM leidžia matyti atskirus atomus ir molekules, tačiau, kaip ir tunelinis mikroskopas, neleidžia žiūrėti po mėginio paviršiumi. Kitaip tariant, mokslininkai turi pasirinkti, ar gali matyti atomus, ar gebėti tyrinėti visą objektą. Tačiau net ir naudojant optinius mikroskopus tiriamų mėginių vidus ne visada pasiekiamas, nes mineralai ar metalai dažniausiai prastai praleidžia šviesą. Be to, vis dar kyla sunkumų fotografuojant atomus – šie objektai atrodo kaip paprasti rutuliukai, tokiuose vaizduose elektronų debesų formos nesimato.
Sinchrotroninė spinduliuotė, atsirandanti, kai lėtėja greitintuvais pagreitintos įkrautos dalelės, leidžia tyrinėti suakmenėjusias priešistorinių gyvūnų liekanas. Sukdami mėginį rentgeno spinduliais, galime gauti trimates tomogramas – taip, pavyzdžiui, prieš 300 milijonų metų išnykusios žuvies kaukolės viduje buvo rastos smegenys. Galima apsieiti ir be sukimosi, jei sklindanti spinduliuotė fiksuojama fiksuojant dėl difrakcijos išsibarsčiusius rentgeno spindulius.
Ir tai dar ne visos galimybės, kurias atveria rentgeno spinduliuotė. Švitinant juo, daugelis medžiagų fluorescuoja, o cheminę medžiagos sudėtį galima nustatyti pagal fluorescencijos pobūdį: taip mokslininkai spalvina senovinius artefaktus, viduramžiais ištrintus Archimedo darbus ar plunksnų spalvą. seniai išnykę paukščiai.
Atomai pozuoja
Atsižvelgiant į visas rentgeno ar optinės fluorescencijos metodų teikiamas galimybes, naujas atskirų atomų fotografavimo metodas nebeatrodo toks didelis mokslo proveržis. Metodo, kuris leido gauti šią savaitę pristatytus vaizdus, esmė yra tokia: elektronai atimami nuo jonizuotų atomų ir siunčiami į specialų detektorių. Kiekvienas jonizacijos veiksmas pašalina elektroną iš tam tikros padėties ir sukuria vieną tašką „nuotraukoje“. Sukaupę kelis tūkstančius tokių taškų, mokslininkai sudarė paveikslėlį, kuriame pavaizduotos labiausiai tikėtinos elektrono aplink atomo branduolį aptikimo vietos, o tai pagal apibrėžimą yra elektronų debesis.
Apibendrinant galima pasakyti, kad galimybė matyti atskirus atomus su jų elektronų debesimis yra vyšnia ant šiuolaikinės mikroskopijos pyrago. Mokslininkams buvo svarbu tirti medžiagų struktūrą, tirti ląsteles ir kristalus, o dėl to atsiradusių technologijų tobulėjimas leido pasiekti vandenilio atomą. Viskas, kas mažiau, jau yra elementariųjų dalelių fizikos specialistų interesų sritis. Biologai, medžiagų mokslininkai ir geologai vis dar turi kur patobulinti mikroskopus, net ir naudojant gana kuklų padidinimą, palyginti su atomų fonu. Pavyzdžiui, neurofiziologai jau seniai norėjo turėti prietaisą, galintį matyti atskiras ląsteles gyvų smegenų viduje, o marsaeigių kūrėjai parduotų savo sielas elektroniniam mikroskopui, kuris tilptų erdvėlaivyje ir galėtų dirbti Marse.
