Как выяснилось во второй половине двадцатого века, оптическим микроскопам еще предстоит пройти долгий путь. Определяющим моментом в биологических и медицинских исследованиях стало появление флуоресцентных красителей и методов, позволяющих избирательно маркировать определенные вещества. Это был не «просто новый цвет», это был настоящий переворот.
Ученым удалось увидеть вибрацию атомов с помощью мощного электронного микроскопа
В 2018 году исследователи из Корнельского университета создали мощный детектор, который в сочетании с алгоритмической техникой — спутографией — установил мировой рекорд, втрое увеличив разрешение современного электронного микроскопа. Но каким бы успешным ни был этот подход, у него был недостаток: он работал только для очень тонких образцов толщиной в несколько атомов (все, что толще, приводило к рассеянию электронов, которые уже невозможно было распутать). Теперь та же исследовательская группа установила новый рекорд, используя новый мощный детектор пиксельных массивов электронного микроскопа (EMPAD), который включает в себя еще более сложные алгоритмы 3D реконструкции. Авторы научной статьи отмечают, что разрешение настолько тонкое, что единственным размытием является тепловое изменение самих атомов. Звучит сложно, не так ли? Мы предлагаем вам не бояться сложных терминов и попытаться понять, как новая форма электронной биографии позволит ученым увидеть отдельные атомы в трех измерениях и к чему может привести их открытие.
Перед вами электронная петрография ортоскедастического кристалла празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.
Как увидеть невидимое?
Современная наука утверждает, что атомы — это строительные блоки всего существующего. Но это объяснение, вероятно, удовлетворит не всех, потому что если атомы существуют, значит, их можно увидеть. Но как? На первый взгляд, существует простой способ доказать существование атомов: просто поместить их под микроскоп. Но такой подход не сработает. На самом деле, даже самые мощные микроскопы не могут получить изображение отдельных атомов.
Помните, что объект можно воспринимать по тому, как он отклоняет волны видимого света. Атомы, с другой стороны, остаются невидимыми для нас, но оказывают ощутимое влияние на определенные вещи. Сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхус исследовал в своей лаборатории странное явление, которое он не мог понять: крошечные частицы угольной пыли, отскакивающие от поверхности спирта.
Примерно через 50 лет, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Браун описал нечто подобное, когда направил свой микроскоп на пыльцевые зерна. Браун заметил, что некоторые зерна испускали крошечные частицы, которые затем удалялись от пыльцевых зерен в беспорядочном танце, сотрясая их. Сначала ученый задался вопросом, действительно ли эти частицы являются неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими веществами, например, с каменной пылью, которая, как он знал, не была живой, и снова увидел то же странное движение.
Особый тип движения, который открыл Роберт Браун, теперь называется броуновским движением в его честь. Этот термин относится к неупорядоченному движению крошечных видимых взвешенных частиц твердого материала в жидкости или газе, вызванному тепловым движением частиц жидкости или газа.
Поиски объяснения продолжались до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не предположил, что пыльцевые зерна движутся потому, что постоянно сталкиваются с миллионами крошечных молекул воды — молекул, состоящих из атомов. К 1908 году наблюдения и расчеты подтвердили реальность атомов. А десятилетие спустя, разделив отдельные атомы, физики начали понимать внутреннюю структуру этих крошечных частиц.
Электронные микроскопы
Сегодня изображения отдельных атомов можно наблюдать с помощью мощных электронных микроскопов, создающих пучки электронов. Это возможно потому, что электронные лучи имеют длину волны в тысячи раз короче, чем световые лучи — настолько короче, что электронные волны могут быть отклонены крошечными атомами для создания изображения, а световые лучи — нет.
Как отмечает научный журналист Крис Баранюк в статье для BBC, такие изображения полезны для людей, которые хотят изучить атомную структуру определенных веществ — например, тех, которые используются для изготовления батарей для электромобилей.
Птихография — метод сканирования для получения изображений объектов, размеры которых значительно превышают размеры поперечного сечения фокального пятна (электроны, рентгеновские лучи).
По данным журнала Nature, ученые из Калифорнийского университета нашли способ создания впечатляюще подробных 3D-представлений наночастиц платины на атомном уровне.
В исследовании ученых Корнельского университета им удалось обнаружить отдельные атомы во всех трех измерениях с помощью новейшей формы электронной микрографии. Такой метод, как объясняют авторы научной статьи, может быть особенно полезен для визуализации полупроводников, катализаторов и квантовых материалов, в том числе используемых в квантовых вычислениях. Примечательно, что новый метод визуализации также может быть применен к биологическим клеткам, тканям и даже синапсам в мозге. Но как это работает?
Как увидели атомы? Описание, фото и видео
Силы и частицы
Автор Анималов В.С. Время чтения 2 минуты Опубликовано 08.08.2010 Обновлено 04.02.2020
Хотя ученые в принципе уже давно знали, что атомы существуют, оставалась тень сомнения, потому что никто никогда не мог увидеть атомы своими глазами.
Теперь ученые могут делать снимки атомов на экране компьютера и перемещать атомы с помощью специального устройства — сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).
Атомы и обычные измерительные приборы
Увидеть атомы с помощью обычного микроскопа невозможно, так как они очень малы — от четырех до шестнадцати миллиардных долей сантиметра в диаметре. Волоски на вашей руке в миллион раз плотнее. Осветить атом обычным светом невозможно, потому что длина волны видимого света в две-пять тысяч раз больше диаметра атома.
STM — это не оптический прибор с окуляром, в который можно заглянуть глазом. Это электронный прибор со специальным наконечником, который можно поднести очень близко к исследуемой поверхности. Когда наконечник движется, электроны проскакивают через зазор между наконечником и материалом поверхности. В результате может быть зарегистрирован электрический ток. Малейшее изменение расстояния между поверхностью и кончиком электрода изменяет интенсивность электрического тока.
Как увидели атомы
Поверхность, которая кажется нам идеально гладкой, очень, очень неровная на атомном уровне. Электрод регистрирует каждую неровность, даже если она не больше атома. Компьютер рисует объемную карту поверхности, учитывая каждый атом. Это позволяет нам «видеть» атомы.
С помощью СТМ ученые научились манипулировать атомами. Сначала атомы охлаждают до минус 270 градусов Цельсия, что очень близко к абсолютному нулю; при такой низкой температуре атомы становятся почти неподвижными.
Интересное: Силы и частицы или фундаментальное взаимодействие — описание, фото и видео
С помощью электрода STM можно произвольно перемещать атомы в магнитном поле и даже писать ими слова на поверхности вещества. Эти слова написаны так же, как слова в книгах Брайля для слепых. Прочитать эти отдельные записи можно только с помощью СТМ.
За дифракционным пределом
Оптические микроскопы имеют фундаментальный недостаток. Проблема заключается в том, что форма световых волн не может быть восстановлена по объектам, длина которых намного меньше длины волны: С таким же успехом можно попытаться изучить тонкую текстуру материала рукой в толстой сварочной перчатке.
Пределы дифракции были частично преодолены без нарушения законов физики. Два обстоятельства способствуют тому, что световые микроскопы преодолевают дифракционный барьер: тот факт, что кванты флуоресценции испускаются отдельными молекулами красителя (которые могут находиться далеко друг от друга), и тот факт, что суперпозиция световых волн может создать яркое пятно диаметром меньше длины волны.
Когда они накладываются друг на друга, световые волны могут отменять друг друга. В этом случае можно настроить параметры освещения образца так, чтобы яркое пятно было как можно меньше. В сочетании с математическими алгоритмами, которые удаляют, например, изображения-призраки, такое направленное освещение приводит к значительному улучшению качества изображения. Например, можно исследовать внутриклеточные структуры с помощью светового микроскопа и даже (комбинируя описанный метод с конфокальной микроскопией) получать их трехмерные изображения.
Электронный микроскоп до электронных приборов
Чтобы открыть атомы и молекулы, ученым не нужно было их исследовать — молекулярной теории не нужно было видеть объект. С другой стороны, микробиология стала возможной только с изобретением микроскопа. Впервые микроскопы были связаны с медициной и биологией: у физиков и химиков, изучавших гораздо более мелкие объекты, были другие средства. Когда они захотели изучить микромир, пределы дифракции стали большой проблемой, особенно потому, что методы флуоресцентной микроскопии, описанные выше, еще не были известны. И не было смысла увеличивать разрешение с 500 нанометров до 100 нанометров, когда объект, который можно увидеть, был еще меньше!
Зная, что электроны могут вести себя и как волны, и как частицы, физики в Германии в 1926 году разработали электронную линзу. Идея была очень проста и понятна любому студенту: Когда электромагнитное поле отклоняет электроны, его можно использовать для изменения формы пучка этих частиц, разбрасывая их в разные стороны или, наоборот, уменьшая диаметр пучка. Пять лет спустя, в 1931 году, Эрнст Руска и Макс Кнолль построили первый в мире электронный микроскоп. В устройстве образец сначала освещался электронным пучком, затем пучок продлевался через электронную линзу, после чего попадал на специальный флуоресцентный экран. Первый микроскоп давал увеличение всего в 400 раз, но замена света электронами открыла путь к фотографии с увеличением в сто тысяч раз: конструкторам пришлось преодолеть лишь несколько технических препятствий.
От фотографии к кинематографу
В 2010 году Лео Гросс и Райнер Эбель сумели четко определить структуру физического соединения, цефаландола А, выделенного из бактерии Dermacoccus abyssi (Nature Chemistry, 2010, 2, 821-825, doi: 10.1038/nchem.765). Состав цефаландола А ранее был определен с помощью масс-спектрометрии, однако анализ спектров ЯМР этого соединения не дал четкого ответа на вопрос о его структуре: существовало четыре возможных варианта. Используя атомно-силовой микроскоп, исследователи сразу исключили две из четырех структур, а из оставшихся двух правильный выбор был сделан путем сравнения результатов АСМ и квантово-химического моделирования. Задача была непростой: в отличие от пентацена, фуллерена и коронена, цефаладол А не содержит только атомы углерода и водорода; кроме того, у этой молекулы нет плоскости симметрии (рис. 5) — но и эта проблема была решена.
Рисунок 5. Слева — структура цефаландола А, определенная методом АСМ. Справа — визуализация результатов исследования физических соединений с помощью атомно-силовой микроскопии.
Дальнейшее доказательство того, что атомно-силовой микроскоп можно использовать в качестве аналитического инструмента, поступило от группы Оскара Кустанца, который в то время работал в Школе инженерии Университета Осаки. Он показал, как с помощью АСМ можно различать атомы гораздо меньших размеров, чем углерод и водород (Nature, 2007, 446, 64-67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц изучал поверхность сплава кремния, олова и свинца с известным содержанием каждого элемента. В ходе многочисленных экспериментов он обнаружил, что сила, возникающая между наконечником детектора АСМ и различными атомами, меняется (рис. 6). Например, самое сильное взаимодействие наблюдалось при обнаружении кремния, а самое слабое — при обнаружении свинца.
Рисунок 6. Сила взаимодействия детектора АСМ с различными атомами ( a ) и результаты исследований для поверхности с неоднородными атомами ( b, c ).
Предполагается, что результаты атомно-силовой микроскопии для идентификации атомов в будущем будут рассматриваться так же, как и результаты ЯМР — путем сравнения относительных величин. Поскольку точный состав иглы детектора трудно контролировать, абсолютное значение силы между детектором и различными атомами поверхности зависит от условий эксперимента и марки прибора, но соотношение этих сил остается постоянным для каждого состава детектора и формы для каждого химического элемента.
В 2013 году появились первые примеры использования АСМ для получения изображений отдельных молекул до и после химических реакций: Создается «фотографический набор» продуктов реакции и промежуточных продуктов, который затем может быть обработан в своего рода документальный фильм (Science, 2013, 340, 6139, 1434-1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Феликс Фишер и Майкл Кромми из Калифорнийского университета в Беркли нанесли 1,2-бис(2-этилфенил)этинилбензол на поверхность серебра, получили изображение молекул и нагрели поверхность, чтобы инициировать циклизацию. Половина исходных молекул была преобразована в полициклические ароматические структуры, состоящие из сросшихся пяти гексамерных и двух пентамерных циклов. Еще четверть молекул образовывали структуры, состоящие из четырех гексамерных циклов, соединенных четвертичным циклом, и двух пентамерных циклов (рис. 7). Остальные продукты представляли собой олигомерные структуры и, в небольших количествах, полициклические изомеры.
Синтез одной молекулы
В умелых руках и СТМ, и АСМ превращаются из приборов для изучения материи в инструменты, способные целенаправленно изменять структуру материи. С помощью этих приборов уже можно создавать «маленькие химические лаборатории», в которых вместо колбы используется подложка, а вместо молекул или миллимолей реактивов — отдельные молекулы.
Например, в 2016 году международная группа ученых под руководством Такаши Кумагаи использовала бесконтактную атомно-силовую микроскопию для перевода молекулы порфира из одной формы в другую («Nature Chemistry», 2016, 8, 935-940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфирен можно считать модификацией порфирина, который содержит четыре атома азота и два атома водорода во внутреннем кольце. Колебания детектора АСМ передали достаточно энергии, чтобы перенести эти атомы водорода с одного атома азота на другой, и в результате получилось «зеркальное изображение» этой молекулы (рис. 8).
Рисунок 8. С помощью сканирующего туннельного микроскопа удалось преобразовать одну таутомерную форму порфирцениума в другую.
Команда под руководством неутомимого Лео Гросса также показала, что можно инициировать реакцию одной молекулы — они превратили дибромантрацен в декамерный циклический диен (рис. 9; Nature Chemistry, 2015, 7, 623-628, doi: 10.1038/nchem.2300 В отличие от Кумагаи и др., они использовали сканирующий туннельный микроскоп для активации молекулы и наблюдали результат реакции с помощью атомно-силового микроскопа.
Рисунок 9. АСМ изображения продуктов обратной реакции, активированных СТМ (нижний ряд).
Совместное использование сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа даже позволило получить молекулу, которую невозможно синтезировать классическими методами и способами ( Nature Nanotechnology, 2017, 12, 308-311, doi: 10.1038/nnano.2016.305 ). Это триангулен, нестабильный ароматический димер, существование которого было предсказано шесть десятилетий назад, но все попытки синтезировать его не увенчались успехом (рис. 10). Химики из группы Нико Павличека получили искомое соединение, удалив два атома водорода из прекурсора с помощью СТМ и подтвердив результат синтеза с помощью АСМ.
Рисунок 10: Молекула триангулена (структура показана справа) под атомно-силовым микроскопом.
Следует ожидать, что количество публикаций, посвященных применению атомно-силовой микроскопии в органической химии, будет продолжать расти. В настоящее время все больше ученых пытаются воспроизвести на поверхности реакции, известные из «химии растворов». Но, возможно, химики-синтетики начнут воспроизводить реакции, первоначально проведенные на поверхности, с помощью АСМ в растворе.
От неживого — к живому
Наконечники и зонды атомно-силовых микроскопов можно использовать не только для аналитических исследований или синтеза экзотических молекул, но и для практического применения. Уже есть известные применения АСМ в медицине, например, в раннем обнаружении рака, и пионером в этой области является Кристофер Гербер, который участвовал в разработке принципа атомно-силовой микроскопии и создании АСМ.
Например, Гербер смог научить АСМ обнаруживать точечную мутацию в рибонуклеиновой кислоте в меланомах (в биопсийном материале). Для этого золотой рычаг атомно-силового микроскопа был модифицирован олигонуклеотидами, которые могут образовывать межмолекулярное взаимодействие с РНК, а сила этого взаимодействия может быть измерена с помощью пьезоэлектрического эффекта. Чувствительность датчика AFM настолько высока, что его уже используют для изучения эффективности популярного метода редактирования генома CRISPR-Cas9. Именно здесь встречаются технологии, разработанные разными поколениями исследователей.
Перефразируя классиков политической теории, можно сказать, что мы уже видим безграничные возможности и неисчерпаемость атомно-силовой микроскопии, и трудно представить, что ждет нас впереди по мере дальнейшего развития этих технологий. Но уже сегодня сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп позволяют нам видеть и осязать атомы. Можно сказать, что они являются не просто продолжением наших глаз, которые позволяют нам заглянуть в микромир атомов и молекул, но новыми глазами, новыми пальцами, которые могут прикасаться к этому микромиру и управлять им.
