Bir atom (Yunanca "bölünmez" kelimesinden gelir), bir zamanlar mikroskobik boyuttaki bir maddenin en küçük parçacığı, özelliklerini taşıyan bir kimyasal elementin en küçük kısmıdır. Bir atomun bileşenleri (protonlar, nötronlar, elektronlar) artık bu özelliklere sahip değildir ve bunları bir arada oluştururlar. Kovalent atomlar molekülleri oluşturur. Bilim adamları atomun özelliklerini inceliyorlar ve zaten oldukça iyi çalışılmış olmalarına rağmen, yeni bir şey bulma fırsatını kaçırmıyorlar - özellikle yeni malzemeler ve yeni atomlar oluşturma alanında (periyodik tablonun devamı). Bir atomun kütlesinin %99,9'u çekirdektedir.
Başlığa bakıp kusura bakmayın. SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı çalışanları tarafından kazara oluşturulan kara deliğin yalnızca bir atom büyüklüğünde olduğu ortaya çıktı, dolayısıyla hiçbir şey bizi tehdit etmiyor. Ve "kara delik" adı, araştırmacıların gözlemlediği olguyu yalnızca uzaktan tanımlıyor. Size dünyanın en güçlü X-ışını lazerinden defalarca bahsetmiştik.
PostScience bilimsel mitleri çürütüyor ve yaygın yanlış anlamaları açıklıyor. Uzmanlarımızdan atomun yapısı ve özellikleri hakkındaki popüler fikirler hakkında yorum yapmalarını istedik.
Rutherford'un modeli atomun yapısı hakkındaki modern fikirlere karşılık geliyor
Bu doğrudur, ancak kısmen. Hafif elektronların, güneşin etrafındaki gezegenler gibi ağır bir çekirdeğin yörüngesinde döndüğü atomun gezegen modeli, 1911'de Ernest Rutherford tarafından, çekirdeğin laboratuvarında keşfedilmesinden sonra önerildi. Bilim adamları, bir metal folyo tabakasını alfa parçacıklarıyla bombardıman ederek, parçacıkların büyük çoğunluğunun, tıpkı ışığın camdan geçmesi gibi, folyodan geçtiğini buldular. Ancak bunların küçük bir kısmı (yaklaşık 8.000'de bir) kaynağa geri yansıdı. Rutherford bu sonuçları, kütlenin madde içinde eşit şekilde dağılmadığı, ancak pozitif yüklü alfa parçacıklarını iten pozitif bir yük taşıyan atom çekirdekleri olan "kümeler" halinde yoğunlaştığı gerçeğiyle açıkladı. Hafif, negatif yüklü elektronlar, merkezkaç kuvvetinin elektrostatik çekimi dengelemesi için etraflarında dönerek çekirdeğin üzerine "düşmeyi" önler.
Rutherford'un bu modeli icat ettikten sonra şöyle haykırdığı söyleniyor: "Artık atomun neye benzediğini biliyorum!" Ancak çok geçmeden ilhamının ardından Rutherford, fikrinin kusurlu doğasını fark etti. Çekirdeğin etrafında dönen elektron, kendi çevresinde alternatif elektrik ve manyetik alanlar yaratır. Bu alanlar ışık hızında elektromanyetik dalga şeklinde hareket eder. Ve böyle bir dalga enerjiyi de beraberinde taşır! Elektronun çekirdeğin etrafında dönerken saniyenin milyarda biri kadar bir sürede sürekli enerji kaybedip çekirdeğin üzerine düşeceği ortaya çıktı. (Aynı argümanın Güneş Sistemindeki gezegenlere uygulanıp uygulanamayacağı sorusu ortaya çıkabilir: Neden Güneş'in üzerine düşmüyorlar? Cevap: Kütleçekim dalgaları, eğer varsa, elektromanyetik dalgalardan çok daha zayıftır ve Gezegenlerde depolanan enerji elektronlardan çok daha fazladır, dolayısıyla gezegenlerin “güç rezervi” kat kat daha uzundur.)
Rutherford, çalışma arkadaşı genç teorisyen Niels Bohr'a çelişkiyi çözmesi talimatını verdi. Bohr iki yıl çalıştıktan sonra kısmi bir çözüm buldu. Bir elektronun olası tüm yörüngeleri arasında, elektronun herhangi bir şey yaymadan uzun süre kalabileceği yörüngelerin bulunduğunu öne sürdü. Bir elektron, iki yörüngenin enerjileri farkına eşit bir enerjiye sahip bir kuantum elektromanyetik alanı emerken veya yayarken, sabit bir yörüngeden diğerine hareket edebilir. Bohr, o zamana kadar keşfedilmiş olan kuantum fiziğinin ilk ilkelerini kullanarak, sabit yörüngelerin parametrelerini ve buna bağlı olarak geçişlere karşılık gelen radyasyon kuantumunun enerjilerini hesaplayabildi. Bu enerjiler o zamana kadar spektroskopik yöntemler kullanılarak ölçülmüştü ve Bohr'un teorik tahminleri bu ölçümlerin sonuçlarıyla neredeyse mükemmel bir şekilde örtüşüyordu!
Bu muzaffer sonuca rağmen, Bohr'un teorisi atom fiziği konusuna pek netlik getirmiyordu çünkü yarı ampirikti: sabit yörüngelerin varlığını varsayarken, bunların fiziksel doğasını hiçbir şekilde açıklamıyordu. Konunun kapsamlı bir şekilde açıklığa kavuşturulması, kuantum mekaniğinin sistematik, bütünleyici bir fiziksel teori olarak geliştirildiği en az yirmi yıl daha gerektirdi.
Bu teori çerçevesinde elektron belirsizlik ilkesine tabidir ve gezegen gibi maddi bir noktayla değil, yörüngesi boyunca "yayılmış" bir dalga fonksiyonuyla tanımlanır. Zamanın her anında yörüngenin tüm noktalarına karşılık gelen durumların süperpozisyonundadır. Dalga fonksiyonuyla belirlenen uzaydaki kütle dağılım yoğunluğu zamana bağlı olmadığından elektronun çevresinde alternatif bir elektromanyetik alan oluşturulmaz; enerji kaybı olmaz.
Böylece gezegen modeli, bir atomun neye benzediğine dair gerçek bir görsel temsil sağlar; Rutherford, bu ünleminde haklıydı. Ancak atomun nasıl çalıştığını açıklamıyor: Yapı, Rutherford'un modellediğinden çok daha karmaşık ve derin.
Sonuç olarak, gezegen modeli "mitinin", yüz yıl önce fizikte bir dönüm noktasına yol açan ve bu bilimi modern haliyle büyük ölçüde şekillendiren entelektüel dramanın tam merkezinde yer aldığını belirtmek isterim.
Alexander Lvovsky
Fizik Doktorası, Calgary Üniversitesi Fizik Fakültesi profesörü, bilimsel grubun lideri, Rusya Kuantum Merkezi bilimsel konsey üyesi, Optics Express bilimsel dergisinin editörü
Bireysel atomlar kontrol edilebilir
Bu doğru. Tabii ki yapabilirsin, neden olmasın? Bir atomun farklı parametrelerini kontrol edebilirsiniz ve bir atomun bunlardan pek çoğu vardır: Uzayda bir konumu, hızı vardır ve ayrıca iç serbestlik dereceleri de vardır. İç serbestlik dereceleri, bir atomun manyetik ve elektriksel özelliklerinin yanı sıra ışık veya radyo dalgaları yayma isteğini de belirler. Bir atomun iç durumuna bağlı olarak çarpışmalarda ve kimyasal reaksiyonlarda az ya da çok aktif olabilir, çevresindeki atomların özelliklerini değiştirebilir ve dış alanlara tepkisi kendi iç durumuna bağlı olabilir. Örneğin tıpta, akciğerlerin tomogramlarını oluşturmak için polarize gazlar adı verilen gazları kullanırlar - bu tür gazlarda tüm atomlar aynı iç durumdadır, bu da onların tepkileriyle doldurdukları hacmi "görmelerine" olanak tanır.
Bir atomun hızını veya konumunu kontrol etmek o kadar da zor değil; kontrol için tam olarak bir atomu seçmek çok daha zor. Ancak bu da yapılabilir. Bu tür atom ayrımına yönelik yaklaşımlardan biri lazer soğutma kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Kontrol için başlangıç konumunun bilinmesi her zaman uygundur; atomun henüz hareket etmemesi oldukça iyidir. Lazer soğutma, her ikisini de elde etmenize, atomları uzayda konumlandırmanıza ve soğutmanıza, yani hızlarını neredeyse sıfıra indirmenize olanak tanır. Lazer soğutma prensibi jet uçağınınkiyle aynıdır, yalnızca ikincisi hızlanmak için bir gaz akışı yayar ve ilk durumda atom, tam tersine, bir foton akışını (hafif parçacıklar) emer ve yavaşlar. . Modern lazer soğutma teknikleri milyonlarca atomu yürüme hızlarına ve daha düşük hızlara kadar soğutabilir. Daha sonra dipol tuzağı gibi çeşitli pasif tuzaklar devreye girer. Lazer soğutma, atomun aktif olarak absorbe ettiği bir ışık alanı kullanıyorsa, bunu bir dipol tuzağında tutmak için ışığın frekansı, herhangi bir absorbsiyondan uzakta seçilir. Yüksek düzeyde odaklanmış lazer ışığının, küçük parçacıkları ve toz taneciklerini polarize edebildiği ve onları en yüksek ışık yoğunluğunun olduğu bölgeye çekebildiği ortaya çıktı. Atom da bir istisna değildir ve aynı zamanda en güçlü alanın bulunduğu bölgeye doğru çekilir. Işığı olabildiğince sıkı bir şekilde odaklarsanız, böyle bir tuzakta yalnızca bir atomun tutulabileceği ortaya çıktı. Gerçek şu ki, eğer ikincisi tuzağa düşerse, ilkine o kadar sıkı bastırılır ki, bir molekül oluştururlar ve aynı zamanda tuzaktan düşerler. Bununla birlikte, bu kadar keskin odaklanma, tek bir atomu izole etmenin tek yolu değildir; yüklü atomlar, iyonlar için bir atomun bir rezonatörle etkileşiminin özelliklerini de kullanabilirsiniz, tam olarak bir iyonu yakalamak ve tutmak için elektrik alanlarını kullanabilirsiniz, ve benzeri. Oldukça sınırlı bir atom topluluğundaki bir atomu, Rydberg durumu olarak adlandırılan çok yüksek derecede uyarılmış bir duruma uyarmak bile mümkündür. Bir atom bir kez Rydberg durumuna uyarıldığında, komşularının aynı duruma uyarılma olasılığını engeller ve eğer atomların bulunduğu hacim yeterince küçükse, tek atom olacaktır.
Öyle ya da böyle, bir atom yakalandığında kontrol edilebilir. İç durum, elektromanyetik dalganın istenen frekansları ve polarizasyonu kullanılarak ışık ve radyo frekansı alanları tarafından değiştirilebilir. Bir atomu önceden belirlenmiş herhangi bir duruma, ister belirli bir duruma, ister bir seviyeye, ister bunların süperpozisyonuna aktarmak mümkündür. Tek soru, gerekli frekansların mevcudiyeti ve yeterince kısa ve güçlü kontrol darbeleri yapabilme yeteneğidir. Son zamanlarda, atomları nanoyapıların yakınında tutarak daha etkili bir şekilde kontrol etmek mümkün hale geldi; bu, yalnızca atomla daha etkili bir şekilde "konuşmasına" değil, aynı zamanda atomun kendisini - daha doğrusu, iç durumlarını - kullanmasına da olanak tanıyor. ışığın akışını kontrol etmek ve gelecekte belki de hesaplama amaçlı.
Bir tuzağın tuttuğu atomun konumunu kontrol etmek çok basit bir iştir; sadece tuzağı hareket ettirin. Çift kutuplu tuzak durumunda, ışık ışınını hareket ettirin; bu, örneğin bir lazer gösterisi için aynaların hareket ettirilmesiyle yapılabilir. Atomun hızı yine reaktif bir şekilde verilebilir; ışığı soğuracak şekilde yapılabilir ve iyon, tıpkı katot ışın tüplerinde yapıldığı gibi, elektrik alanlarıyla kolayca hızlandırılabilir. Yani bugün prensip olarak bir atomla her şey yapılabilir; bu sadece zaman ve çaba meselesidir.
Alexey Akimov
Atom bölünemez
Kısmen doğru, kısmen değil. Wikipedia bize şu tanımı veriyor: “Atom (eski Yunanca ἄτομος'dan - bölünmez, kesilmemiş), özelliklerinin taşıyıcısı olan bir kimyasal elementin en küçük kısmı olan mikroskobik boyut ve kütleye sahip bir maddenin parçacığıdır. Bir atom, atom çekirdeği ve elektronlardan oluşur."
Günümüzde eğitimli her insan, bu genel kabul görmüş tanımın kısaca son cümlesiyle temsil edilen Rutherford modelindeki atomu hayal eder. Ortaya atılan sorunun/mitin yanıtı açık gibi görünüyor: Atom, bileşik ve karmaşık bir nesnedir. Ancak durum bu kadar net değil. Eski filozoflar daha ziyade atomun tanımına maddenin temel ve bölünmez bir parçacığının varlığının anlamını koydular ve sorunu periyodik tablonun elementlerinin yapısıyla ilişkilendirmeleri pek mümkün değildi. Rutherford'un atomunda aslında böyle bir parçacık buluyoruz; bu bir elektrondur.
Elektron, modern kavramlara uygun olarak sözde
“>Standart model, durumu konum ve hız ile tanımlanan bir noktadır. Heisenberg'in belirsizlik ilkesi nedeniyle bu kinematik özelliklerin eşzamanlı olarak belirlenmesinin imkansız olması önemlidir, ancak bunlardan yalnızca birini, örneğin koordinatı dikkate alarak, keyfi derecede yüksek bir doğrulukla belirlenebilir.
O halde, modern deneysel teknolojiyi kullanarak, bir elektronun atom boyutundan (~0,5 * 10-8 cm) önemli ölçüde daha küçük bir ölçekte lokalizasyonunu denemek ve nokta benzerliğini kontrol etmek mümkün müdür? Bir elektronu Compton dalga boyu ölçeğinde (hidrojen atomunun boyutundan yaklaşık 137 kat daha küçük) lokalize etmeye çalışırsanız, elektronun antimadde ile etkileşime gireceği ve sistemin kararsız hale geleceği ortaya çıktı.
Elektronun ve maddenin diğer temel parçacıklarının sivriliği ve bölünmezliği, alan teorisindeki kısa menzilli etki ilkesinin önemli bir unsurudur ve doğayı tanımlayan tüm temel denklemlerde mevcuttur. Dolayısıyla eski filozoflar maddenin bölünemez parçacıklarının var olduğunu varsayarken gerçeklerden o kadar da uzak değillerdi.
Dmitry Kupriyanov
Fiziksel ve Matematik Bilimleri Doktoru, Fizik Profesörü, St. Petersburg Devlet Politeknik Üniversitesi Başkanı. Teorik Fizik Bölümü SPbSPU
Bilim bunu henüz bilmiyor. Rutherford'un atoma ilişkin gezegen modeli, elektronların, tıpkı güneşin etrafında dönen gezegenler gibi, atom çekirdeğinin etrafında döndüğünü varsayıyordu. Aynı zamanda elektronların katı küresel parçacıklar olduğunu varsaymak da doğaldı. Rutherford'un klasik modeli kendi içinde çelişkiliydi. Açıkçası, hızlandırılmış yüklü parçacıkların (elektronların) hareket etmesi, elektromanyetik radyasyon nedeniyle enerji kaybedecek ve sonuçta atom çekirdeğine düşecektir.
Niels Bohr, bu sürecin yasaklanmasını ve elektronların hareket ettiği yörüngelerin yarıçapları için belirli gereklilikler getirilmesini önerdi. Bohr'un fenomenolojik modeli yerini Heisenberg tarafından geliştirilen atomun kuantum modeline ve Schrödinger tarafından önerilen kuantum ama daha görsel atom modeline bıraktı. Schrödinger modelinde elektronlar artık yörüngede uçan toplar değil, bulutlar gibi atom çekirdeğinin üzerinde asılı duran duran dalgalardır. Bu "bulutların" şekli Schrödinger'in ortaya attığı dalga fonksiyonuyla tanımlandı.
Hemen şu soru ortaya çıktı: Dalga fonksiyonunun fiziksel anlamı nedir? Cevap Max Born tarafından önerildi: Dalga fonksiyonunun kare modülü, uzayda belirli bir noktada bir elektron bulma olasılığıdır. Ve zorlukların başladığı yer burasıdır. Şu soru ortaya çıktı: Uzayda belirli bir noktada bir elektron bulmak ne anlama geliyor? Born'un bu açıklaması, elektronun belli bir yörüngede uçan ve bu yörüngenin belli bir noktasında belli bir olasılıkla yakalanabilecek küçük bir top olduğunun kabulü olarak anlaşılmamalı mı?
Bu konuda kendisine katılan Schrödinger ve Albert Einstein'ın görüşü de tam olarak budur. Kopenhag Okulu fizikçileri Niels Bohr ve Werner Heisenberg, ölçüm eylemleri arasında elektronun basitçe mevcut olmadığını, yani hareketinin yörüngesi hakkında konuşmanın anlamsız olduğunu savunarak onlara itiraz ettiler. Bohr ve Einstein arasında kuantum mekaniğinin yorumlanmasına ilişkin tartışma tarihe geçti. Bohr kazanan gibi görünüyordu: Çok açık bir şekilde olmasa da, Einstein tarafından formüle edilen tüm paradoksları ve hatta 1935'te Schrödinger tarafından formüle edilen ünlü "Schrödinger'in kedisi" paradoksunu çürütmeyi başardı. Onlarca yıldır çoğu fizikçi, Karl Marx'ın öğrettiği gibi, maddenin bize duyularla verilen nesnel bir gerçeklik olmadığı, yalnızca gözlem anında ortaya çıkan ve bir gözlemci olmadan var olmayan bir şey olduğu konusunda Bohr'la aynı fikirdeydi. Sovyet döneminde üniversitelerdeki felsefe bölümlerinin böyle bir bakış açısının öznel idealizm olduğunu, yani nesnel materyalizme (Marx, Engels, Lenin ve Einstein'ın felsefesine) ters düşen bir eğilim olduğunu öğretmesi ilginçtir. Aynı zamanda fizik bölümlerinde öğrencilere Kopenhag Okulu'nun kavramlarının tek doğru kavramlar olduğu öğretildi (belki de en ünlü Sovyet teorik fizikçisi Lev Landau'nun bu okula ait olması nedeniyle).
Şu anda fizikçilerin görüşleri bölünmüş durumda. Bir yandan kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumu popüler olmaya devam ediyor. Bu yorumun geçerliliğini deneysel olarak doğrulama girişimleri (örneğin, Bell eşitsizliği olarak adlandırılan şeyin Fransız fizikçi Alain Aspe tarafından başarılı bir şekilde doğrulanması), bilim camiasının neredeyse oybirliğiyle onayını alıyor. Öte yandan teorisyenler paralel dünyalar teorisi gibi alternatif teorileri tartışırken oldukça rahatlar. Elektrona dönecek olursak onun bilardo topu olarak kalma ihtimalinin henüz çok yüksek olmadığını söyleyebiliriz. Aynı zamanda sıfırdan farklıdırlar. 20. yüzyılın 20'li yıllarında, ışığın kuantum fotonlardan oluştuğunu kanıtlamayı mümkün kılan Compton saçılımının bilardo modeliydi. Önemli ve kullanışlı cihazlarla (diyotlar, transistörler) ilgili birçok problemde elektronu bilardo topu olarak düşünmek uygundur. Elektronun dalga doğası, metallerin negatif manyeto direnci gibi daha ince etkilerin tanımlanmasında önemlidir.
Ölçüm eylemleri arasında bir top elektronunun var olup olmadığına ilişkin felsefi soru, sıradan yaşamda büyük bir öneme sahip değildir. Ancak bu soru modern fiziğin en ciddi sorunlarından biri olmaya devam ediyor.
Alexey Kavokin
Fiziksel ve Matematik Bilimleri Adayı, Southampton Üniversitesi Profesörü, Rusya Kuantum Merkezi Kuantum Polaritonik Grubu Başkanı, Akdeniz Temel Fizik Enstitüsü Bilimsel Direktörü (İtalya)
Bir atom tamamen yok edilebilir
Bu doğru. Kırmak inşa etmek değildir. Atom dahil her şeyi istediğiniz derecede yok edebilirsiniz. İlk yaklaşıma göre atom, negatif yüklü elektronlarla çevrelenmiş pozitif yüklü bir çekirdektir. Bir atom üzerinde gerçekleştirilebilecek ilk yıkıcı eylem, elektronları ondan koparmaktır. Bu farklı şekillerde yapılabilir: Güçlü lazer radyasyonunu üzerine odaklayabilir veya onu hızlı elektronlar veya diğer hızlı parçacıklarla ışınlayabilirsiniz. Elektronlarının bir kısmını kaybeden atoma iyon denir. Atomlar Güneş'te bu durumda bulunur; burada sıcaklıklar o kadar yüksektir ki atomların çarpışmalarda elektronlarını tutmaları neredeyse imkansızdır.
Bir atom ne kadar çok elektron kaybederse geri kalanını çıkarmak o kadar zor olur. Atom numarasına bağlı olarak bir atomun daha fazla veya daha az elektronu vardır. Hidrojen atomunun genellikle yalnızca bir elektronu vardır ve normal koşullar altında bile sıklıkla onu kaybeder; suyun pH'ını belirleyen de elektronlarını kaybeden hidrojendir. Bir helyum atomunun iki elektronu vardır ve tamamen iyonlaşmış bir duruma alfa parçacığı denir; sıradan sudan ziyade bir nükleer reaktörden bekleyeceğimiz türde parçacıklar. Çok sayıda elektron içeren atomlar, tüm elektronları uzaklaştırmak için daha fazla enerjiye ihtiyaç duyarlar, ancak yine de herhangi bir atomdan tüm elektronları uzaklaştırmak mümkündür.
Tüm elektronlar koparılırsa çekirdek kalır, ancak yok edilmesi de mümkündür. Çekirdek protonlardan ve nötronlardan (genellikle hadronlardan) oluşur ve oldukça sıkı bir şekilde bağlı olmalarına rağmen, yeterince yüksek enerjiye sahip bir parçacık onları parçalayabilir. Çok fazla nötron ve protonun bulunduğu ağır atomlar, kendi başlarına parçalanma eğilimindedir ve oldukça fazla enerji açığa çıkarır - nükleer santraller bu prensibe dayanmaktadır.
Ancak çekirdeği kırıp tüm elektronları koparsanız bile orijinal parçacıklar kalır: nötronlar, protonlar, elektronlar. Elbette onlar da yok edilebilir. Aslında yaptığı da budur; protonları muazzam enerjilere hızlandırır, çarpışmalarda onları tamamen yok eder. Bu durumda çarpıştırıcının incelediği birçok yeni parçacık doğar. Aynı şey elektronlar ve diğer parçacıklar için de yapılabilir.
Yok edilen bir parçacığın enerjisi kaybolmaz, diğer parçacıklar arasında dağıtılır ve eğer yeterli miktarda varsa, yeni dönüşümler denizinde orijinal parçacığın izini hızla sürmek imkansız hale gelir. Her şey yok edilebilir, istisna yoktur.
Alexey Akimov
Fiziksel ve Matematik Bilimleri Adayı, Rusya Kuantum Merkezi'nin “Kuantum Simülatörleri” grubunun başkanı, MIPT'de öğretmen, Lebedev Fizik Enstitüsü çalışanı, Harvard Üniversitesi'nde araştırmacı
Trurl atomları yakalamaya, onlardan elektronları kazımaya, protonları sadece parmakları titreyene kadar yoğurmaya, proton hamuru hazırlamaya, elektronları etrafına yerleştirmeye ve - bir sonraki atom için; Elinde bir saf altın bloğu tutana kadar beş dakika bile geçmemişti: Adam onu namluya verdi ve o, bloğu dişinde denedikten sonra başını salladı ve şöyle dedi:
- Ve gerçekten de altın ama atomları bu şekilde kovalayamam. Ben çok büyüğüm.
- Sorun değil, sana özel bir cihaz vereceğiz! - Trurl onu ikna etti.
Stanislav Lem, "Siberya"
Mikroskop kullanarak bir atomu görmek, onu başka bir atomdan ayırmak, bir kimyasal bağın yok oluşunu veya oluşumunu gözlemlemek, bir molekülün diğerine nasıl dönüştüğünü görmek mümkün müdür? Evet, eğer basit bir mikroskop değil de atomik kuvvet mikroskobu ise. Ve kendinizi gözlemle sınırlamanıza gerek yok. Atomik kuvvet mikroskobunun artık sadece mikro dünyaya açılan bir pencere olmadığı bir zamanda yaşıyoruz. Bugün bu cihaz atomları hareket ettirmek, kimyasal bağları kırmak, tek moleküllerin esneme sınırlarını incelemek ve hatta insan genomunu incelemek için kullanılabiliyor.
Ksenon piksellerden yapılmış harfler
Atomlara bakmak her zaman bu kadar kolay değildi. Atomik kuvvet mikroskobunun tarihi, 1979'da Zürih'teki IBM Araştırma Merkezi'nde çalışan Gerd Karl Binnig ve Heinrich Rohrer'in yüzeylerin atomik çözünürlükte incelenmesine olanak sağlayacak bir alet yaratmaya başlamasıyla başladı. Böyle bir cihaz geliştirmek için araştırmacılar, elektronların görünüşte aşılmaz engelleri aşma yeteneği olan tünelleme etkisini kullanmaya karar verdiler. Buradaki fikir, tarama probu ile incelenen yüzey arasında ortaya çıkan tünelleme akımının gücünü ölçerek numunedeki atomların konumunu belirlemekti.
Binnig ve Rohrer bunu başardılar ve taramalı tünelleme mikroskobunun (STM) mucitleri olarak tarihe geçtiler ve 1986'da Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar. Taramalı tünelleme mikroskobu fizik ve kimyada gerçek bir devrim yarattı.
1990 yılında Kaliforniya'daki IBM Araştırma Merkezi'nde çalışan Don Eigler ve Erhard Schweitzer, STM'nin yalnızca atomları gözlemlemek için değil aynı zamanda onları manipüle etmek için de kullanılabileceğini gösterdi. Taramalı tünelleme mikroskobu kullanarak, kimyagerlerin bireysel atomlarla çalışmaya geçişini simgeleyen belki de en popüler görüntüyü oluşturdular; 35 ksenon atomlu nikel bir yüzeye üç harf çizdiler (Şekil 1).
Binnig şöhretine dayanmadı - Nobel Ödülü'nü aldığı yıl, aynı zamanda IBM Zürih Araştırma Merkezi'nde çalışan Christopher Gerber ve Kelvin Quaite ile birlikte, dezavantajları olmayan, mikro dünyayı incelemek için başka bir cihaz üzerinde çalışmaya başladı. STM'nin doğasında var. Gerçek şu ki, taramalı tünelleme mikroskobunun yardımıyla dielektrik yüzeyleri incelemek imkansızdı, yalnızca iletkenleri ve yarı iletkenleri incelemek mümkündü ve ikincisini analiz etmek için, onlarla mikroskop probu arasında önemli bir vakum oluşturmak gerekliydi. Yeni bir cihaz yaratmanın mevcut olanı yükseltmekten daha kolay olduğunu fark eden Binnig, Gerber ve Quaite, atomik kuvvet mikroskobunu veya AFM'yi icat etti. Çalışma prensibi kökten farklıdır: yüzey hakkında bilgi elde etmek için, mikroskop probu ile incelenen numune arasında ortaya çıkan akım gücünü değil, aralarında ortaya çıkan çekici kuvvetlerin değerini, yani zayıf olanı ölçerler. kimyasal olmayan etkileşimler - van der Waals kuvvetleri.
AFM'nin ilk çalışma modeli nispeten basitti. Araştırmacılar, esnek bir mikromekanik sensöre - altın folyodan yapılmış bir konsola (prob ile atom arasında çekim meydana gelir, konsol, çekim kuvvetine bağlı olarak bükülür ve piezoelektriği deforme eder) bağlı olarak numunenin yüzeyi üzerinde bir elmas probu hareket ettirdi. . Konsolun bükülme derecesi, vinil plaktaki oyukların ve çıkıntıların ses kaydına dönüştürülmesine benzer şekilde piezoelektrik sensörler kullanılarak belirlendi. Atomik kuvvet mikroskobunun tasarımı, 10-18 Newton'a kadar olan çekici kuvvetleri tespit etmesine olanak sağladı. Çalışan bir prototip oluşturduktan bir yıl sonra araştırmacılar, grafit yüzey topografyasının 2,5 angstrom çözünürlüklü bir görüntüsünü elde edebildiler.
O zamandan bu yana geçen otuz yıl boyunca AFM, seramik malzemenin yüzeyinden canlı hücrelere ve bireysel moleküllere kadar hemen hemen her kimyasal nesneyi hem statik hem de dinamik durumda incelemek için kullanıldı. Atomik kuvvet mikroskobu, kimyagerlerin ve malzeme bilimcilerinin çalışma alanı haline geldi ve bu yöntemi kullanan çalışmaların sayısı sürekli artıyor (Şekil 2).
Yıllar boyunca araştırmacılar, atomik kuvvet mikroskobu kullanarak nesnelerin hem temaslı hem de temassız incelenmesi için koşullar seçtiler. Temas yöntemi yukarıda açıklanmıştır ve konsol ile yüzey arasındaki van der Waals etkileşimine dayanmaktadır. Temassız modda çalışırken, piezovibratör, probun salınımlarını belirli bir frekansta (çoğunlukla rezonans) uyarır. Yüzeyden etki eden kuvvet, probun salınımlarının hem genliğinin hem de fazının değişmesine neden olur. Temassız yöntemin bazı dezavantajlarına rağmen (öncelikle dış gürültüye duyarlılık), sondanın incelenen nesne üzerindeki etkisini ortadan kaldırır ve bu nedenle kimyagerler için daha ilgi çekicidir.
Bağlantıların peşinde, sondalar üzerinde canlı
Atomik kuvvet mikroskobu, Binnig'in öğrencisi Franz Josef Gissibl'in çalışması sayesinde 1998'de temassız hale geldi. Konsol olarak sabit frekanslı bir kuvars referans osilatörünün kullanılmasını öneren oydu. 11 yıl sonra, Zürih'teki IBM laboratuvarındaki araştırmacılar, temassız AFM'nin başka bir modifikasyonunu üstlendi: sensör probunun rolü keskin bir elmas kristali tarafından değil, tek bir molekül tarafından oynandı: karbon monoksit. Bu, IBM'in Zürih bölümünden Leo Gross'un gösterdiği gibi atom altı çözünürlüğe geçmeyi mümkün kıldı. 2009 yılında AFM'yi kullanarak atomları değil kimyasal bağları görünür hale getirerek pentasen molekülü için oldukça net ve net bir şekilde okunabilir bir "resim" elde etti (Şekil 3; Bilim, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
AFM kullanılarak kimyasal bağların görülebileceğine inanan Leo Gross, daha da ileri giderek bağ uzunluklarını ve sıralarını (kimyasal yapıyı ve dolayısıyla maddelerin özelliklerini anlamak için temel parametreler) ölçmek için atomik kuvvet mikroskobu kullanmaya karar verdi.
Bağ sıralarındaki farklılıkların, farklı elektron yoğunluklarını ve iki atom arasındaki farklı atomlar arası mesafeleri gösterdiğini hatırlayın (basitçe söylemek gerekirse, bir çift bağ, tek bir bağdan daha kısadır). Etanda karbon-karbon bağ sırası birdir, etilende ikidir ve klasik aromatik molekül benzende karbon-karbon bağ sırası birden büyük fakat ikiden küçüktür ve 1,5 olarak kabul edilir.
Basit aromatik sistemlerden düzlemsel veya toplu polikondense siklik sistemlere geçerken bağ sırasını belirlemek çok daha zordur. Böylece, yoğunlaştırılmış beş ve altı üyeli karbon halkalarından oluşan fullerenlerdeki bağların sırası birden ikiye kadar herhangi bir değer alabilir. Aynı belirsizlik teorik olarak polisiklik aromatik bileşiklerde de mevcuttur.
2012 yılında Leo Gross, Fabian Mohn ile birlikte, karbon monoksit ile modifiye edilmiş temassız metal problu bir atomik kuvvet mikroskobunun, atomların yük dağılımındaki ve atomlar arası mesafelerdeki, yani bağ düzeniyle ilişkili parametrelerdeki farklılıkları ölçebildiğini gösterdi ( Bilim, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Bunu yapmak için fullerendeki iki tür kimyasal bağ üzerinde çalıştılar; C60 fullerenin altı üyeli karbon içeren iki halkasında ortak olan bir karbon-karbon bağı ve beş ve altılı fullerende ortak olan bir karbon-karbon bağı. üyeli halkalar. Bir atomik kuvvet mikroskobu, altı üyeli halkaların yoğunlaşmasının, C6 ve C5 siklik fragmanlarının yoğunlaşmasından daha kısa ve daha düzenli bir bağ ürettiğini göstermiştir. Altı tane daha C6 halkasının merkezi C6 halkası etrafına simetrik olarak yerleştirildiği heksabenzokoronendeki kimyasal bağlanma özelliklerinin incelenmesi, merkezi halkanın C-C bağlarının sırasına göre kuantum kimyasal modellemenin sonuçlarını doğruladı (içinde Şekil 4, mektup Ben) bu halkayı çevresel döngülere bağlayan bağlardan daha büyük olmalıdır (Şekil 4'te harf J). Dokuz adet altı üyeli halka içeren daha karmaşık polisiklik aromatik hidrokarbon için de benzer sonuçlar elde edildi.
Bağ düzenleri ve atomlar arası mesafeler elbette organik kimyagerlerin ilgisini çekiyordu, ancak kimyasal bağlar teorisi, reaktiviteyi tahmin etme ve kimyasal reaksiyonların mekanizmaları üzerinde çalışma yapanlar için daha önemliydi. Bununla birlikte, hem sentetik kimyagerler hem de doğal bileşiklerin yapısını inceleyen uzmanlar bir sürprizle karşılaştılar: atomik kuvvet mikroskobunun, moleküllerin yapısını NMR veya IR spektroskopisiyle aynı şekilde belirlemek için kullanılabileceği ortaya çıktı. Üstelik bu yöntemlerin çözemediği sorulara da net bir yanıt veriyor.
Fotoğrafçılıktan sinemaya
2010 yılında aynı Leo Gross ve Rainer Ebel, bir bakteriden izole edilen doğal bir bileşiğin - sefalandol A'nın yapısını açık bir şekilde kurmayı başardılar. Dermacoccus abissi(Doğa Kimyası, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Sefalandol A'nın bileşimi daha önce kütle spektrometresi kullanılarak belirlenmişti, ancak bu bileşiğin NMR spektrumlarının analizi, yapısıyla ilgili soruya net bir cevap vermedi: dört seçenek mümkündü. Araştırmacılar atomik kuvvet mikroskobu kullanarak dört yapıdan ikisini hemen elediler ve AFM ve kuantum kimyasal modelleme kullanılarak elde edilen sonuçları karşılaştırarak geri kalan ikisinin doğru seçimini yaptılar. Görevin zor olduğu ortaya çıktı: pentasen, fulleren ve koronenlerin aksine sefalandol A yalnızca karbon ve hidrojen atomları içermez, ayrıca bu molekülün bir simetri düzlemi yoktur (Şekil 5) - ancak bu sorun da çözülmüştür.
Atomik kuvvet mikroskobunun analitik bir araç olarak kullanılabileceğine dair daha fazla kanıt, o zamanlar Osaka Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nde çalışan Oscar Kustanza'nın grubunda elde edildi. Birbirinden karbon ve hidrojenden çok daha az farklı olan atomları ayırt etmek için AFM'nin nasıl kullanılacağını gösterdi ( Doğa, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustants, her bir elementin içeriği bilinen, silikon, kalay ve kurşundan oluşan bir alaşımın yüzeyini inceledi. Çok sayıda deney sonucunda AFM probunun ucu ile farklı atomlar arasında oluşan kuvvetin farklılık gösterdiğini buldu (Şekil 6). Örneğin, en güçlü etkileşim silikonu araştırırken, en zayıf etkileşim ise kurşunu araştırırken gözlemlendi.
Gelecekte, tek tek atomları tanımak için atomik kuvvet mikroskobu sonuçlarının, göreceli değerleri karşılaştırarak NMR sonuçlarıyla aynı şekilde işleneceği varsayılmaktadır. Sensör ucunun kesin bileşimini kontrol etmek zor olduğundan, sensör ile çeşitli yüzey atomları arasındaki kuvvetin mutlak değeri, deney koşullarına ve cihazın markasına bağlıdır, ancak bu kuvvetlerin herhangi bir bileşim ve şekil için oranı. sensör her kimyasal element için sabit kalır.
2013 yılında, bireysel moleküllerin kimyasal reaksiyonlardan önce ve sonra görüntülerini elde etmek için AFM kullanmanın ilk örnekleri ortaya çıktı: reaksiyon ürünleri ve ara ürünlerden oluşan bir "fotoset" oluşturuldu ve bu daha sonra bir tür belgesel filme dönüştürülebilir ( Bilim, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'nden Felix Fischer ve Michael Crommie yüzeye gümüş uyguladı 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzen, molekülleri görüntüledi ve siklizasyonu başlatmak için yüzeyi ısıttı. Orijinal moleküllerin yarısı, kaynaşmış beş altı üyeli ve iki beş üyeli halkadan oluşan polisiklik aromatik yapılara dönüştü. Moleküllerin diğer bir çeyreği, dört üyeli bir halka aracılığıyla bağlanan dört altı üyeli halka ve iki beş üyeli halkadan oluşan yapılar oluşturdu (Şekil 7). Geri kalan ürünler oligomerik yapılar ve küçük miktarlarda polisiklik izomerlerdi.
Bu sonuçlar araştırmacıları iki kez şaşırttı. Öncelikle reaksiyon sırasında sadece iki ana ürün oluştu. İkincisi, yapıları şaşırtıcıydı. Fisher, kimyasal sezgi ve deneyimin düzinelerce olası reaksiyon ürününü çizmeyi mümkün kıldığını ancak bunların hiçbirinin yüzeyde oluşan bileşiklere karşılık gelmediğini belirtiyor. Atipik kimyasal süreçlerin ortaya çıkmasının, başlangıç maddelerinin substrat ile etkileşimi yoluyla kolaylaştırılmış olması mümkündür.
Doğal olarak, kimyasal bağların incelenmesindeki ilk ciddi başarılardan sonra, bazı araştırmacılar, daha zayıf ve daha az çalışılan moleküller arası etkileşimleri, özellikle de hidrojen bağını gözlemlemek için AFM'yi kullanmaya karar verdiler. Ancak bu alandaki çalışmalar henüz yeni başlıyor ve sonuçlar çelişkili. Bu nedenle, bazı yayınlar atomik kuvvet mikroskobunun hidrojen bağını gözlemlemeyi mümkün kıldığını bildirmektedir ( Bilim, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), diğerleri ise bunların cihazın tasarım özellikleri nedeniyle sadece yapay yapılar olduğunu ve deneysel sonuçların daha dikkatli yorumlanması gerektiğini savunuyor ( Fiziksel İnceleme Mektupları, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Belki de hidrojen ve diğer moleküller arası etkileşimlerin atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak gözlemlenip gözlemlenemeyeceği sorusunun nihai cevabı bu on yılda elde edilecek. Bunun için AFM çözünürlüğünü en az birkaç kat daha artırmak ve parazitsiz görüntü elde etmeyi öğrenmek gerekir ( Fiziksel İnceleme B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).
Tek molekül sentezi
Yetenekli ellerde hem STM hem de AFM, maddeyi inceleyebilen cihazlardan, maddenin yapısını bilinçli olarak değiştirebilen cihazlara dönüşüyor. Bu cihazların yardımıyla, bir şişe yerine bir substratın kullanıldığı ve mol veya milimol reaksiyona giren maddeler yerine tek tek moleküllerin kullanıldığı "en küçük kimya laboratuvarlarını" elde etmek zaten mümkün oldu.
Örneğin, 2016 yılında Takashi Kumagai liderliğindeki uluslararası bir bilim insanı ekibi, porfiren molekülünü bir formdan diğerine dönüştürmek için temassız atomik kuvvet mikroskobu kullandı ( Doğa Kimyası, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porfisen, iç halkası dört nitrojen atomu ve iki hidrojen atomu içeren porfirinin bir modifikasyonu olarak düşünülebilir. AFM probunun titreşimleri, bu hidrojenleri bir nitrojen atomundan diğerine aktarmak için porfisen molekülüne yeterli enerjiyi aktardı ve sonuç, bu molekülün bir "ayna görüntüsü" oldu (Şekil 8).
Yorulmak bilmez Leo Gross liderliğindeki ekip ayrıca tek bir molekülün reaksiyonunu başlatmanın mümkün olduğunu da gösterdi; dibromomantrasen'i on üyeli bir siklik diyne dönüştürdüler (Şekil 9; Doğa Kimyası, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Kumagai ve diğerlerinin aksine, molekülü aktive etmek için taramalı tünelleme mikroskobu kullandılar ve reaksiyonun sonucu atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak izlendi.
Taramalı tünelleme mikroskobu ve atomik kuvvet mikroskobunun birlikte kullanılması, klasik teknik ve yöntemler kullanılarak sentezlenemeyen bir molekülün elde edilmesini bile mümkün kılmıştır. Doğa Nanoteknolojisi, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Bu, varlığı altmış yıl önce tahmin edilen, ancak tüm sentez girişimleri başarısız olan kararsız bir aromatik diradikal olan triangulen'dir (Şekil 10). Niko Pavlicek'in grubundan kimyagerler, STM kullanarak iki hidrojen atomunu öncüsünden çıkararak ve sentetik sonucu AFM kullanarak doğrulayarak istenen bileşiği elde ettiler.
Organik kimyada atomik kuvvet mikroskobunun kullanımına yönelik çalışmaların sayısının artmaya devam etmesi beklenmektedir. Şu anda giderek daha fazla bilim insanı "çözelti kimyasında" iyi bilinen yüzey reaksiyonlarını kopyalamaya çalışıyor. Ancak belki de sentetik kimyagerler, AFM kullanılarak yüzeyde orijinal olarak gerçekleştirilen reaksiyonları çözelti halinde yeniden üretmeye başlayacaklar.
Cansızlıktan yaşamaya
Atomik kuvvet mikroskoplarının konsolları ve probları yalnızca analitik çalışmalar veya egzotik moleküllerin sentezi için değil, aynı zamanda uygulamalı problemlerin çözümü için de kullanılabilir. Örneğin, kanserin erken teşhisi için AFM'nin tıpta kullanıldığı bilinen durumlar vardır ve burada öncü, atomik kuvvet mikroskobu ilkesinin geliştirilmesinde ve AFM'nin yaratılmasında payı olan aynı Christopher Gerber'dir.
Böylece Gerber, AFM'ye melanomdaki ribonükleik asitteki nokta mutasyonlarını (biyopsi sonucunda elde edilen materyal üzerinde) tespit etmeyi öğretebildi. Bunu yapmak için atomik kuvvet mikroskobunun altın konsolu, RNA ile moleküller arası etkileşime girebilen oligonükleotidlerle modifiye edildi ve bu etkileşimin gücü, piezoelektrik etki nedeniyle de ölçülebiliyor. AFM sensörünün hassasiyeti o kadar yüksek ki, popüler genom düzenleme yöntemi CRISPR-Cas9'un etkinliğini incelemek için şimdiden onu kullanmaya çalışıyorlar. Farklı nesil araştırmacıların yarattığı teknolojiler burada bir araya geliyor.
Siyasi teorilerden birinin klasiğini başka kelimelerle ifade edersek, atomik kuvvet mikroskobunun sınırsız olanaklarını ve tükenmezliğini zaten gördüğümüzü ve bu teknolojilerin daha da gelişmesiyle bağlantılı olarak ileride ne olacağını hayal edemediğimizi söyleyebiliriz. Ancak günümüzde taramalı tünelleme mikroskopları ve atomik kuvvet mikroskopları bize atomları görme ve onlara dokunma fırsatı veriyor. Bunun sadece atomların ve moleküllerin mikrokozmosuna bakmamızı sağlayan gözlerimizin bir uzantısı değil, aynı zamanda bu mikrokozmosa dokunabilen ve kontrol edebilen yeni gözler, yeni parmaklar olduğunu söyleyebiliriz.
Day.Az, Vesti.ru'ya referansla ABD'li fizikçilerin rekor çözünürlükteki fotoğraflarda tek tek atomları yakalamayı başardığını bildirdi.
ABD'deki Cornell Üniversitesi'nden bilim insanları, yarım angstromdan (0,39 Å) daha düşük bir çözünürlükle fotoğraflardaki tek tek atomları yakalamayı başardılar. Önceki fotoğraflar yarı çözünürlüğe sahipti - 0,98 Å.
Atomları görebilen güçlü elektron mikroskopları yarım asırdır mevcut, ancak bunların çözünürlüğü, ortalama atomun çapından daha büyük olan görünür ışığın dalga boyuyla sınırlıdır.
Bu nedenle bilim adamları, elektron mikroskoplarındaki görüntüleri odaklayan ve büyüten belirli bir mercek analogu kullanırlar - bu manyetik bir alandır. Ancak manyetik alandaki dalgalanmalar elde edilen sonucu bozar. Bozulmaları ortadan kaldırmak için, manyetik alanı düzelten ancak aynı zamanda elektron mikroskobu tasarımının karmaşıklığını artıran ek cihazlar kullanılır.
Daha önce Cornell Üniversitesi'ndeki fizikçiler, gelen elektronları bireysel elektronlara duyarlı 128x128 piksel çözünürlüğe sahip küçük bir matrise odaklayan karmaşık bir jeneratör sisteminin yerini alan Elektron Mikroskobu Piksel Dizisi Dedektörünü (EMPAD) geliştirmişti. Her piksel elektronun yansıma açısını kaydeder; Bunu bilen bilim adamları, serbest bırakıldığı noktanın koordinatları da dahil olmak üzere elektronların özelliklerini yeniden oluşturmak için ptyakografi tekniğini kullanıyor.
En yüksek çözünürlükte atomlar
David A. Muller ve ark. Doğa, 2018.
2018 yazında fizikçiler, ortaya çıkan görüntülerin kalitesini bugüne kadar rekor bir çözünürlüğe yükseltmeye karar verdiler. Bilim insanları, hareketli bir ışına molibden sülfit MoS2 adlı 2 boyutlu bir malzeme tabakası bağladılar ve ışını elektron kaynağına farklı açılarda döndürerek elektron ışınlarını serbest bıraktılar. Bilim insanları, EMPAD ve ptaykografiyi kullanarak bireysel molibden atomları arasındaki mesafeleri belirlediler ve 0,39 Å rekor çözünürlüğe sahip bir görüntü elde ettiler.
Deneyin yazarlarından biri olan Sol Gruner, "Temel olarak dünyadaki en küçük cetveli yarattık" diye açıklıyor. Ortaya çıkan görüntüde kükürt atomlarını 0,39 Å'luk rekor çözünürlükle ayırt etmek mümkün oldu. Üstelik böyle bir atomun (okla gösterilen) eksik olduğu bir yeri bile fark etmek mümkündü.
Rekor çözünürlükte kükürt atomları
Elektron bulutlarını yakalayan bir hidrojen atomu. Ve modern fizikçiler, hızlandırıcılar kullanarak bir protonun şeklini bile belirleyebilseler de, görünüşe göre hidrojen atomu, görüntüsüne fotoğraf demek mantıklı olan en küçük nesne olarak kalacak. Lenta.ru, mikro dünyayı fotoğraflamanın modern yöntemlerine genel bir bakış sunuyor.
Aslına bakılırsa günümüzde sıradan bir fotoğraf neredeyse kalmadı. Alışkanlıkla fotoğraf dediğimiz ve örneğin Lenta.ru'nun herhangi bir fotoğraf raporunda bulunabilen görüntüler aslında bilgisayar modelleridir. Özel bir cihazdaki ışığa duyarlı matris (geleneksel olarak "kamera" olarak adlandırılmaya devam edilir), ışık yoğunluğunun birkaç farklı spektral aralıktaki mekansal dağılımını belirler, kontrol elektroniği bu verileri dijital biçimde saklar ve ardından başka bir elektronik devre, Bu verilere dayanarak sıvı kristal ekrandaki transistörlere komut verir. Film, kağıt, bunların işlenmesi için özel çözümler - bunların hepsi egzotik hale geldi. Ve kelimenin gerçek anlamını hatırlarsak, fotoğraf “ışıkla boyama” dır. Peki bilim adamlarının başardığını ne söyleyebiliriz? fotoğraf çek atom, yalnızca makul miktarda bir konvansiyonla mümkündür.
Tüm astronomik görüntülerin yarısından fazlası uzun süredir kızılötesi, morötesi ve X-ışını teleskoplarıyla çekilmiştir. Elektron mikroskopları ışıkla değil, bir elektron ışınıyla ışınlama yaparken, atomik kuvvet mikroskopları numunenin kabartmasını bir iğne ile bile tarar. X-ışını mikroskopları ve manyetik rezonans görüntüleme tarayıcıları vardır. Tüm bu cihazlar bize çeşitli nesnelerin doğru görüntülerini veriyor ve burada elbette “ışıkla boyama”dan bahsetmeye gerek olmasa da, yine de bu tür görüntülere fotoğraf dememize izin vereceğiz.
Fizikçilerin protonun şeklini veya kuarkların parçacıklar içindeki dağılımını belirlemeye yönelik deneyleri perde arkasında kalacak; Hikayemiz atom ölçeğiyle sınırlı olacak.
Optik asla eskimez
20. yüzyılın ikinci yarısında ortaya çıktığı gibi, optik mikroskopların hala geliştirilmeye ihtiyacı var. Biyolojik ve tıbbi araştırmalarda belirleyici bir an, floresan boyaların ve belirli maddelerin seçici etiketlenmesine olanak tanıyan yöntemlerin ortaya çıkmasıydı. Bu "sadece yeni bir kat boya" değildi, gerçek bir devrimdi.
Popüler inanışın aksine, floresans kesinlikle karanlıkta bir parıltı değildir (ikincisine lüminesans denir). Bu, belirli bir enerjinin kuantumunun (mesela mavi ışık) emilmesi ve ardından daha düşük enerjili diğer kuantumların ve buna bağlı olarak diğer ışığın (mavi emildiğinde yeşil olanlar yayılacaktır) emisyonu olgusudur. Yalnızca boyanın yaydığı kuantumu ileten ve floresansa neden olan ışığı engelleyen bir ışık filtresi takarsanız, parlak boya noktaları içeren koyu bir arka plan görebilirsiniz ve boyalar da numuneyi son derece seçici bir şekilde renklendirebilir.
Örneğin, bir sinir hücresinin hücre iskeletini kırmızıya, sinapsları yeşile ve çekirdeği maviye boyayabilirsiniz. Zardaki protein reseptörlerini veya hücrenin belirli koşullar altında sentezlediği molekülleri tespit etmenizi sağlayacak floresan etiket yapabilirsiniz. İmmünhistokimyasal boyama yöntemi biyolojik bilimde devrim yarattı. Genetik mühendisleri floresan proteinlerle transgenik hayvanlar yapmayı öğrendiklerinde bu yöntem yeniden doğuş yaşadı: örneğin farklı renklere boyanmış nöronlara sahip fareler gerçeğe dönüştü.
Ek olarak mühendisler, eş odaklı mikroskopi adı verilen yöntemi buldular (ve uyguladılar). Bunun özü, mikroskobun çok ince bir katmana odaklanması ve özel bir diyaframın bu katmanın dışındaki nesnelerin yarattığı aydınlatmayı kesmesidir. Böyle bir mikroskop, bir numuneyi yukarıdan aşağıya doğru sırayla tarayabilir ve üç boyutlu bir model için hazır bir temel olan bir dizi görüntü elde edebilir.
Lazerlerin ve gelişmiş optik ışın kontrol sistemlerinin kullanılması, hassas biyolojik örneklerin parlak ışık altında solması ve kuruması sorununu çözmüştür: lazer ışını, örneği yalnızca görüntüleme için gerekli olduğunda tarar. Ve büyük bir numuneyi dar görüş alanına sahip bir göz merceği aracılığıyla inceleyerek zaman ve çaba harcamamak için mühendisler otomatik bir tarama sistemi önerdiler: modern bir mikroskobun sahnesine numune içeren bir cam koyabilirsiniz ve cihaz bağımsız olarak tüm numunenin büyük ölçekli bir panoramasını çekin. Aynı zamanda doğru yerlere odaklanacak ve ardından birçok kareyi bir araya getirecek.
Bazı mikroskoplar canlı fareler, sıçanlar veya en azından küçük omurgasız hayvanları içerebilir. Diğerleri hafif bir büyütme sağlar ancak bir X-ışını makinesiyle birleştirilir. Titreşimlerden kaynaklanan paraziti ortadan kaldırmak için birçoğu, dikkatlice kontrol edilen bir mikro iklime sahip odaların içindeki birkaç ton ağırlığındaki özel masalara monte edilir. Bu tür sistemlerin maliyeti diğer elektron mikroskoplarının maliyetini aşıyor ve en güzel çerçeve için yarışmalar uzun zamandır bir gelenek haline geldi. Buna ek olarak, optik alanındaki gelişmeler devam ediyor: Mühendisler en iyi cam türlerini araştırmaktan ve en uygun lens kombinasyonlarını seçmeye kadar ışığa odaklanmanın yollarını da geliştirdiler.
Biyolojik araştırma alanındaki ilerlemenin uzun süredir diğer alanlardaki ilerlemeyle ilişkili olduğunu göstermek için bir dizi teknik ayrıntıyı özel olarak listeledik. Birkaç yüz fotoğraftaki lekeli hücrelerin sayısını otomatik olarak sayabilecek bir bilgisayar olmasaydı, süpermikroskopların pek bir faydası olmayacaktı. Floresan boyalar olmasaydı, milyonlarca hücrenin tamamı birbirinden ayırt edilemez olurdu; dolayısıyla yenilerinin oluşumunu veya eskilerinin ölümünü izlemek neredeyse imkansız olurdu.
Esasen, ilk mikroskop, üzerine küresel bir merceğin takıldığı bir kelepçeydi. Böyle bir mikroskobun bir analogu, içinde bir delik ve bir damla su bulunan basit bir oyun kartı olabilir. Bazı haberlere göre benzer cihazlar geçen yüzyılda Kolyma'daki altın madencileri tarafından da kullanılıyordu.
Kırınım sınırının ötesinde
Optik mikroskopların temel bir dezavantajı vardır. Gerçek şu ki, ışık dalgalarının şeklini kullanarak, dalga boyundan çok daha kısa olduğu ortaya çıkan nesnelerin şeklini yeniden oluşturmak imkansızdır: aynı başarı ile malzemenin ince dokusunu elinizle incelemeyi deneyebilirsiniz. kalın bir kaynak eldiveni.
Kırınımın yarattığı sınırlamalar, fizik kanunları ihlal edilmeden kısmen aşılmıştır. Optik mikroskopların kırınım bariyerinin altına dalmasına yardımcı olan iki durum vardır: Floresans sırasında kuantumların ayrı ayrı boya molekülleri tarafından yayılması (bunlar birbirinden oldukça uzak olabilir) ve ışık dalgalarının üst üste binmesi nedeniyle bunun mümkün olması gerçeği. dalga boyundan daha küçük bir çapa sahip parlak bir nokta elde edin.
Işık dalgaları üst üste bindirildiğinde birbirini iptal edebilir, böylece örnek aydınlatma parametreleri mümkün olan en küçük alan parlak alana düşecek şekilde ayarlanır. Örneğin görüntüdeki gölgelenmeyi ortadan kaldıran matematiksel algoritmalarla birlikte bu tür yönlü aydınlatma, çekim kalitesinde keskin bir artış sağlar. Örneğin, bir optik mikroskop kullanarak hücre içi yapıları incelemek ve hatta (tarif edilen yöntemi eş odaklı mikroskopi ile birleştirerek) bunların üç boyutlu görüntülerini elde etmek mümkün hale gelir.
Elektronik cihazlara elektron mikroskobu
Atomları ve molekülleri keşfetmek için bilim adamlarının onlara bakmasına gerek yoktu; moleküler teorinin nesneyi görmesine gerek yoktu. Ancak mikrobiyoloji ancak mikroskobun icadından sonra mümkün olabildi. Bu nedenle, ilk başta mikroskoplar özellikle tıp ve biyoloji ile ilişkilendirildi: önemli ölçüde daha küçük nesneler üzerinde çalışan fizikçiler ve kimyagerler başka yollarla idare ettiler. Mikro dünyaya bakmak istediklerinde, özellikle yukarıda açıklanan floresans mikroskobu yöntemleri hala bilinmediğinden, kırınım sınırlamaları ciddi bir sorun haline geldi. İncelenmesi gereken nesne daha da küçükse çözünürlüğü 500 nanometreden 100 nanometreye çıkarmanın pek bir anlamı yok!
Elektronların hem dalga hem de parçacık olarak davranabileceğini bilen Alman fizikçiler 1926'da bir elektron merceği yarattılar. Bunun arkasındaki fikir her okul çocuğu için çok basit ve anlaşılırdı: Elektromanyetik alan elektronları saptırdığından, bu parçacıklardan oluşan bir ışının şeklini değiştirmek, onları farklı yönlere çekmek veya tam tersine çapı azaltmak için kullanılabilir. kirişin. Beş yıl sonra, 1931'de Ernst Ruska ve Max Knoll dünyanın ilk elektron mikroskobunu yaptılar. Cihazda, numune önce bir elektron ışınıyla aydınlatılıyor, ardından bir elektron merceği, içinden geçen ışını özel bir ışıldayan ekrana düşmeden önce genişletiyor. İlk mikroskop yalnızca 400 kat büyütme sağlıyordu, ancak ışığın yerini elektronların alması, yüzbinlerce kez büyütme sağlayan fotoğrafçılığa giden yolu açtı: Tasarımcıların yalnızca birkaç teknik engeli aşması gerekiyordu.
Elektron mikroskobu, hücrelerin yapısını daha önce ulaşılamayan bir kalitede incelemeyi mümkün kıldı. Ancak bu görüntüden hücrelerin yaşını ve içlerinde belirli proteinlerin varlığını anlamak imkansızdır ve bu bilgi bilim adamları için çok gereklidir.
Elektron mikroskopları artık virüslerin yakından fotoğraflanmasına olanak sağlıyor. Yalnızca ince kesitlerin aydınlatılmasına değil, aynı zamanda bunların "yansıyan ışıkta" (tabii ki yansıyan elektronlarda) incelenmesine de olanak tanıyan çeşitli cihaz modifikasyonları vardır. Mikroskopların tüm çeşitleri hakkında ayrıntılı olarak konuşmayacağız, ancak son zamanlarda araştırmacıların bir kırınım deseninden bir görüntüyü yeniden oluşturmayı öğrendiklerini not ediyoruz.
Bakmak değil, dokunmak
“Işık ve gör” ilkesinden daha da uzaklaşılmasıyla bir devrim daha gerçekleşti. Atomik kuvvet mikroskobu ve taramalı tünelleme mikroskobu artık numunelerin yüzeyinde hiçbir şeyi parlatmaz. Bunun yerine, özellikle ince bir iğne yüzey boyunca hareket ediyor ve bu, tek bir atom büyüklüğündeki düzensizliklerin üzerinde bile kelimenin tam anlamıyla sekiyor.
Tüm bu yöntemlerin ayrıntılarına girmeden, asıl noktaya dikkat çekiyoruz: tünel mikroskobunun iğnesi yalnızca yüzey boyunca hareket ettirmekle kalmaz, aynı zamanda atomları bir yerden bir yere yeniden düzenlemek için de kullanılabilir. Bilim insanları, çizilmiş bir çocuğun atomla oynadığı yazıları, çizimleri ve hatta karikatürleri bu şekilde yaratıyor. Taramalı tünelleme mikroskobunun ucu tarafından sürüklenen gerçek bir ksenon atomu.
Tünelleme mikroskobuna mikroskop denir çünkü bir iğneden akan tünelleme akımının etkisini kullanır: kuantum mekaniğinin öngördüğü tünelleme etkisi nedeniyle elektronlar iğne ile yüzey arasındaki boşluktan geçer. Bu cihazın çalışması için vakum gerekir.
Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) çevre koşullarına çok daha az ihtiyaç duyar; (bir takım kısıtlamalarla birlikte) havayı dışarı pompalamadan çalışabilir. AFM bir bakıma gramofonun nanoteknolojik halefidir. İnce ve esnek bir konsol braketine monte edilmiş bir iğne ( konsol ve bir "braket") vardır, üzerine voltaj uygulamadan yüzey boyunca hareket eder ve bir gramofon iğnesinin bir gramofon plağının oyuklarını takip etmesi gibi, numunenin kabartmasını takip eder. Konsolun bükülmesi, üzerine monte edilen aynanın sapmasına neden olur; ayna, lazer ışınını saptırır ve bu, incelenen numunenin şeklinin çok doğru bir şekilde belirlenmesine olanak tanır. Önemli olan, iğneyi hareket ettirmek için oldukça hassas bir sistemin yanı sıra tamamen keskin olması gereken bir iğne kaynağına sahip olmaktır. Bu tür iğnelerin uçlarındaki eğrilik yarıçapı bir nanometreyi geçemez.
AFM, tek tek atomları ve molekülleri görmenize izin verir, ancak tünel mikroskobu gibi, bir numunenin yüzeyinin altına bakmanıza izin vermez. Başka bir deyişle, bilim adamları atomları görebilmek ile nesnenin tamamını inceleyebilmek arasında seçim yapmak zorundadır. Bununla birlikte, optik mikroskoplar için bile incelenen numunelerin iç kısımlarına her zaman erişilemiyor çünkü mineraller veya metaller genellikle ışığı iyi iletmiyor. Ek olarak, atomların fotoğrafını çekmede hâlâ zorluklar var; bu nesneler basit toplar gibi görünüyor, elektron bulutlarının şekli bu tür görüntülerde görünmüyor.
Hızlandırıcılar tarafından hızlandırılan yüklü parçacıkların yavaşlatılmasıyla ortaya çıkan sinkrotron radyasyonu, tarih öncesi hayvanların fosilleşmiş kalıntılarını incelemeyi mümkün kılıyor. Örneği X ışınları altında döndürerek üç boyutlu tomogramlar elde edebiliyoruz; örneğin 300 milyon yıl önce nesli tükenen bir balığın kafatasının içinde beyin bu şekilde bulundu. Kırınım nedeniyle saçılan X-ışınlarının kaydedilmesiyle iletilen radyasyonun kaydedilmesi durumunda dönme olmadan yapmak mümkündür.
Ve bu, X-ışını radyasyonunun açtığı tüm olasılıklar değil. Bununla ışınlandığında, birçok malzeme floresans yayar ve maddenin kimyasal bileşimi, floresansın doğasına göre belirlenebilir: bilim adamları antik eserleri, Orta Çağ'da silinen Arşimet'in eserlerini veya Arşimet'in tüylerinin rengini bu şekilde renklendirir. nesli tükenmiş kuşlar.
Atomlar poz
X-ışını veya optik floresans yöntemlerinin sağladığı tüm olasılıklar göz önüne alındığında, tek tek atomları fotoğraflamaya yönelik yeni bir yöntem artık bilimde o kadar da büyük bir atılım gibi görünmüyor. Bu hafta sunulan görüntülerin elde edilmesini mümkün kılan yöntemin özü şu: Elektronlar iyonize atomlardan sıyrılarak özel bir detektöre gönderiliyor. Her iyonizasyon eylemi, bir elektronu belirli bir konumdan uzaklaştırır ve "fotoğrafta" bir nokta oluşturur. Bu tür birkaç bin noktayı biriktiren bilim adamları, bir atomun çekirdeği etrafındaki bir elektronu tespit etmek için en olası yerleri gösteren bir resim oluşturdular ve bu, tanımı gereği bir elektron bulutudur.
Sonuç olarak, tek tek atomları elektron bulutlarıyla birlikte görebilme yeteneği, modern mikroskopinin pastasındaki kremadır. Bilim adamlarının malzemelerin yapısını incelemesi, hücreleri ve kristalleri incelemesi önemliydi ve bunun sonucunda gelişen teknoloji hidrojen atomuna ulaşmayı mümkün kıldı. Daha azı zaten temel parçacık fiziği uzmanlarının ilgi alanıdır. Ve biyologlar, malzeme bilimcileri ve jeologlar, atomların arka planıyla karşılaştırıldığında oldukça mütevazı bir büyütmeyle bile mikroskopları geliştirmek için hala alana sahipler. Örneğin nörofizyologlar, uzun zamandır canlı bir beynin içindeki tek tek hücreleri görebilecek bir cihaza sahip olmak istiyorlardı ve Mars gezicilerinin yaratıcıları, bir uzay aracına sığabilecek ve Mars'ta çalışabilecek bir elektron mikroskobu için ruhlarını satacaklardı.
