100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как увидели атомы? Описание, фото и видео

Как увидели атомы? Описание, фото и видео

Аркадий Курамшин, кандидат химических наук «Химия и жизнь» ,

Принялся Трурль ловить атомы, соскабливать с них электроны, месить протоны, так что лишь пальцы мелькали, приготовил протонное тесто, выложил вокруг него электроны и — за следующий атом; не прошло и пяти минут, как держал он в руках брусочек чистого золота: подал его морде, она же, на зуб брусочек попробовав и головой кивнув, сказала: — И в самом деле золото, только я не могу так за атомами гоняться. Слишком я большой. — Ничего, мы дадим тебе особый аппаратик! — уговаривал его Трурль.

Станислав Лем, «Кибериада»

Можно ли с помощью микроскопа разглядеть атом, отличить его от другого атома, проследить за разрушением или образованием химической связи и увидеть, как одна молекула превращается в другую? Да, если это не простой микроскоп, а атомно-силовой. А можно и не ограничиваться наблюдением. Мы живем в то время, когда атомно-силовой микроскоп перестал быть просто окном в микромир. Сегодня этот прибор можно использовать для перемещения атомов, разрушения химических связей, изучения предела растяжения одиночных молекул — и даже для исследования генома человека.

Как увидеть отдельную молекулу?

Фото: © REUTERS/Toby Melville

Конечно, молекулы белков и нуклеиновых кислот крупнее, чем какой-нибудь глюкозы. Но всё же они недостаточно большие, чтобы их было видно в обычный, световой микроскоп. Его разрешение ограничено длиной световой волны, падающей на исследуемый объект. Как правило, она составляет не более 250 нанометров. Соответственно, все объекты размером меньше 250 нанометров в световой микроскоп видны не будут.

Обойти эту проблему в 1930-х годах позволили электронные микроскопы. В них на исследуемый объект не светит солнце или лампочка — на него обрушивается поток электронов. В остальном принцип работы электронного микроскопа похож на принцип самого простого светового микроскопа, но длина волны электронов существенно короче длины волны видимого света. Поэтому теоретическое разрешение электронной микроскопии в теории позволяет различать чуть ли не отдельные атомы.

Есть способы увидеть структуру молекул и без использования электронного микроскопа. Это рентгеноструктурный анализ и спектроскопия ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Но ЯМР-спектроскопия, к сожалению, подходит только для сравнительно небольших белков, а более крупные, в сотни тысяч аминокислот длиной, она «не берёт». Рентгеноструктурный анализ требует, чтобы молекулы находились в форме кристаллов. С этим есть трудности, так как далеко не все белки просто кристаллизовать. Ко всему прочему, когда биомолекулы находятся в кристаллической форме и/или в вакууме, как это часто бывает при электронной микроскопии, их свойства могут заметно отличаться от тех, что проявляются в натуральных условиях. А «натуральные условия» в данном случае — это водный раствор, потому что живые организмы по большей части состоят из воды.

Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп

СТМ — это не оптический прибор с окуляром, куда можно заглянуть глазом. Это компьютеризированный инструмент со специальным наконечником, который можно располагать очень близко к исследуемой поверхности. При движении наконечника электроны проскакивают промежуток между наконечником и материалом поверхности. В результате можно зарегистрировать электрический ток. При малейшем изменении расстояния между поверхностью и наконечником – электродом меняется сила электрического тока.

Ученые взглянули на атомы в рекордном разрешении


На скриншоте видно изображение кристалла PrScO3, увеличенное в 100 миллионов раз. Оно получено с помощью электронной птихографии

Читайте так же:
Как была устроена космическая транспортная система Space Shuttle

В 2018 году ученые из Корнелла построили мощное устройство, которое вкупе с техникой сканирования под названием птихография, позволило установить новый мировой рекорд. Они взглянули на атомы в более высоком разрешении, чем позволяли на тот момент лучшие в мире электронные микроскопы.

Несмотря на успех, которого добились исследователи, у их подхода был важный недостаток. Их методика работала только с очень тонкими слоями материалов (не более нескольких атомов в толщину). Любой более толстый образец приводил к тому, что электроны «рассеивались», и их невозможно было хоть как-то анализировать.

Недавно команда специалистов во главе с Дэвидом Мюллером (David Muller) побила собственный рекорд. Она создала еще более продвинутый механизм, позволяющий взглянуть на атомы в еще более высоком разрешении. Причем настолько высоком, что на изображении остается лишь небольшое помутнение, которое вызвано «температурными скачками» самих атомов.

Работа исследователей под названием Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations была опубликована в журнале Science 20 мая.

«Это не просто новый мировой рекорд, — отмечает Мюллер. — Уже сейчас мы можем спокойной разглядывать атомы и идентифицировать их местоположение. Это открывает множество новых методик измерения данных. То, чего мы хотели достичь на протяжении многих лет. Также наше открытие решает проблемы с исследованием тканей, состоящих из большого количества слоев атомов».

Новый метод исследования позволил ученым рассматривать отдельные слои материала один за другим. Для этого используется компьютерная обработка множества изображений, полученных при помощи рассеивания света от исследуемого образца.

«Мы наблюдаем за отдельными подвижными частицами, которые засекает наш прибор, как кошки наблюдают за огоньком от лазерной указки, — говорит Мюллер. — Отслеживая поведение подвижных частиц в области наслоения интерференционных картин, мы можем использовать компьютер и просчитать то, как выглядит исследуемый образец на атомарном уровне».
Полученные данные воссоздаются с помощью сложных алгоритмов, что в итоге позволяет создать изображение с разрешением в пикометр (одна триллионная метра).

«С такими алгоритмами мы можем устранить практически все причины, вызывавшие помутнения картинки в прошлом. Единственное, что все еще немного мутит изображение — подвижность атомов из-за изменений температуры, — отмечает Мюллер. — Когда мы говорим о температуре, мы фактически говорим о том, насколько сильно дрожат атомы».

Исследователи могут побить собственный рекорд снова, если используют для экспериментов материал с более тяжелыми атомами (они менее подвижны) или охладят действующий экспериментальный образец. Но даже при нулевой температуре атомы будут шевелиться, поэтому значительного прироста в качестве картинки достичь не получится.

Электронная птихография позволит ученым отслеживать отдельные атомы в трех измерениях, а не в двух, как это было раньше. Также появится возможность отслеживать те примеси, которые невозможно обнаружить, используя классические микроскопы. Это будет особенно полезно при работе с полупроводниками, катализаторами и квантовыми материалами, включая те, что используются при создании квантовых компьютеров, а также при изучении атомов на границах соединения различных материалов. Кроме того, подобный метод исследования можно будет использовать для изучения клеток, биологических тканей и даже синапсов в мозге.

Пока что использование разработок Мюллера и его коллег обходится дорого. Нужно много времени и очень мощный компьютер, чтобы проанализировать все данные и составить четкое изображение в таком высоком разрешении. Но исследователи надеются сделать метод доступнее с помощью более мощных компьютеров и систем машинного обучения.

«Все это время мы будто носили очень плохие очки, — говорит Мюллер. — И сейчас нам словно впервые выдали пару с качественными диоптриями».

Читайте так же:
Как выращивают ваниль на Мадагаскаре

Как увидели атомы? Описание, фото и видео

Увидеть атомы в обычном микроскопе нельзя из-за малых размеров последних — от четырех до шестнадцати миллиардных долей сантиметра в диаметре. Волосок на руке в миллион раз толще. Использовать обычный свет, чтобы осветить атом, нельзя, потому что волна видимого света в две — пять тысяч раз больше диаметра атома.

Видео

Как увидеть отдельную молекулу?

Фото: © REUTERS/Toby Melville

Конечно, молекулы белков и нуклеиновых кислот крупнее, чем какой-нибудь глюкозы. Но всё же они недостаточно большие, чтобы их было видно в обычный, световой микроскоп. Его разрешение ограничено длиной световой волны, падающей на исследуемый объект. Как правило, она составляет не более 250 нанометров. Соответственно, все объекты размером меньше 250 нанометров в световой микроскоп видны не будут.

Обойти эту проблему в 1930-х годах позволили электронные микроскопы. В них на исследуемый объект не светит солнце или лампочка — на него обрушивается поток электронов. В остальном принцип работы электронного микроскопа похож на принцип самого простого светового микроскопа, но длина волны электронов существенно короче длины волны видимого света. Поэтому теоретическое разрешение электронной микроскопии в теории позволяет различать чуть ли не отдельные атомы.

Есть способы увидеть структуру молекул и без использования электронного микроскопа. Это рентгеноструктурный анализ и спектроскопия ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Но ЯМР-спектроскопия, к сожалению, подходит только для сравнительно небольших белков, а более крупные, в сотни тысяч аминокислот длиной, она «не берёт». Рентгеноструктурный анализ требует, чтобы молекулы находились в форме кристаллов. С этим есть трудности, так как далеко не все белки просто кристаллизовать. Ко всему прочему, когда биомолекулы находятся в кристаллической форме и/или в вакууме, как это часто бывает при электронной микроскопии, их свойства могут заметно отличаться от тех, что проявляются в натуральных условиях. А «натуральные условия» в данном случае — это водный раствор, потому что живые организмы по большей части состоят из воды.

Буквы изксеноновых пикселей

Рассмотреть атомы не всегда было так просто. История атомно-силового микроскопа началась в 1979 году, когда Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в Исследовательском центре компании IBM в Цюрихе, приступили к созданию прибора, который позволил бы изучать поверхности с атомным разрешением. Чтобы придумать такое устройство, исследователи решили использовать эффект туннельного перехода — способность электронов преодолевать, казалось бы, непроходимые барьеры. Идея состояла в том, чтобы, измеряя силу туннельного тока, возникающего между сканирующим зондом и изучаемой поверхностью, определять положение атомов в образце.

У Биннига и Рорера получилось, и они вошли в историю как изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), а в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике. Сканирующий туннельный микроскоп совершил настоящую революцию в физике и химии.

Рис. 1. Изображение, с помощью которого компания IBM привлекла внимание к сканирующему туннельному микроскопу, — логотип компании, выложенный на никелевой поверхности атомами ксенона

В 1990 году Дон Айглер и Эрхард Швайцер, работавшие в исследовательском центре IBM в Калифорнии, показали, что СТМ можно применять не только для наблюдения за атомами, но для манипулирования ими. С помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа они создали, возможно, самый популярный образ, символизирующий переход химиков к работе с отдельными атомами — нарисовали на никелевой поверхности три буквы 35 атомами ксенона (рис. 1).

Читайте так же:
Как работает крупнейший нефтеперерабатывающий завод в России

Бинниг не стал почивать на лаврах — в год получения Нобелевской премии совместно с Кристофером Гербером и Кельвином Куэйтом, также работавшими в Цюрихском исследовательском центре IBM он начал работу над еще одним устройством для изучения микромира, лишенного недостатков, которые присущи СТМ. Дело в том, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа нельзя было изучать диэлектрические поверхности, а только проводники и полупроводники, да и для анализа последних между ними и зондом микроскопа нужно было создать значительное разрежение. Поняв, что создать новое устройство проще, чем модернизировать существующее, Бинниг, Гербер и Куэйт изобрели атомно-силовой микроскоп, или АСМ. Принцип его работы кардинально иной: для получения информации о поверхности измеряют не силу тока, возникающую между зондом микроскопа и изучаемым образцом, а значение возникающих между ними сил притяжения, то есть слабых нехимических взаимодействий — сил Ван-дер-Ваальса.

Первая рабочая модель АСМ была устроена сравнительно просто. Исследователи перемещали над поверхностью образца алмазный зонд, связанный с гибким микромеханическим датчиком — кантилевером из золотой фольги (между зондом и атомом возникает притяжение, кантилевер гнется в зависимости от силы притяжения и деформирует пьезоэлектрик). Степень изгиба кантилевера определялась с помощью пьезоэлектрических датчиков — сходным образом канавки и гребни виниловой пластинки превращаются в аудиозапись. Конструкция атомно-силового микроскопа позволяла ему детектировать силы притяжения до 10 –18 ньютон. Через год после создания рабочего прототипа исследователям удалось получить изображение рельефа поверхности графита с разрешением в 2,5 ангстрема.

За три десятка лет, прошедших с тех пор, АСМ использовали для изучения практически любых химических объектов — от поверхности керамического материала до живых клеток и отдельных молекул, причем находящихся как в статическом, так и динамическом состоянии. Атомно-силовая микроскопия стала рабочей лошадкой химиков и материаловедов, а количество работ, в которых применяется этот метод, постоянно растет (рис. 2).

 Рис. 2. Динамика увеличения количества научных п

Рис. 2. Динамика увеличения количества научных публикаций, материал для которых получили с помощью атомно-силовой микроскопии

За эти годы исследователи подобрали условия и для контактного, и для бесконтактного изучения объектов с помощью атомно-силовой микроскопии. Контактный метод описан выше, он основан на вандерваальсовом взаимодействии между кантилевером и поверхностью. При работе в бесконтактном режиме пьезовибратор возбуждает колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к тому, что и амплитуда, и фаза колебаний зонда изменяются. Несмотря на некоторые недостатки бесконтактного метода (в первую очередь чувствительность к внешним шумам), именно он исключает воздействие зонда на исследуемый объект, а значит, интереснее для химиков.

Отнеживого— кживому

Кантилеверы и зонды атомно-силовых микроскопов можно применять не только для аналитических исследований или синтеза экзотических молекул, но и для решения прикладных задач. Уже известны случаи использования АСМ в медицине, например для ранней диагностики рака, и здесь пионером выступает тот самый Кристофер Гербер, который приложил руку к разработке принципа атомно-силовой микроскопии и созданию АСМ.

Так, Герберу удалось научить АСМ определять точечную мутацию рибонуклеиновой кислоты при меланоме (на материале, полученном в результате биопсии). Для этого золотой кантилевер атомно-силового микроскопа модифицировали олигонуклеотидами, которые могут вступать в межмолекулярное взаимодействие с РНК, а силу этого взаимодействия все также можно измерить за счет пьезоэффекта. Чувствительность сенсора АСМ настолько велика, что его уже пытаются применить для изучения эффективности популярного метода редактирования геномов CRISPR-Cas9. Здесь воедино объединяются технологии, созданные разными поколениями исследователей.

Читайте так же:
Как устроено производство настольных игр в России

Перефразируя классика одной из политических теорий, можно сказать, что мы уже сейчас видим безграничные возможности и неисчерпаемость атомно-силовой микроскопии и вряд ли в силах представить, что ждет нас впереди в связи с дальнейшим развитием этих технологий. Но уже сегодня сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп дают нам возможность увидеть атомы и прикоснуться к ним. Можно сказать, что это не только продолжение наших глаз, позволяющее заглянуть в микрокосм атомов и молекул, но и новые глаза, новые пальцы, способные прикоснуться к этому микрокосму и управлять им.

Смена парадигмы

Итак, команда инженеров Корнельского университета разработала новый метод электронной микроскопии, мощность которого позволяет им с легкостью установить местонахождение атомов. Метод, который, согласно исследованию, опубликованному в журнале Science, опирается на электронный микроскоп в сочетании со сложными алгоритмами 3D-реконструкции установил новый рекорд в видении атомов.

Ученым удалось увидеть вибрацию атомов с помощью мощного электронного микроскопа

В 2018 году исследователи из Корнельского университета построили мощный детектор, который в сочетании с управляемым алгоритмом процессом – птихографией (ptychography) – установил мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Но каким бы успешным ни был этот подход, у него был один недостаток – он работал только с ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов (все, что было больше, заставило бы электроны рассеиваться таким образом, что их невозможно было бы распутать). Теперь та же команда исследователей установила новый рекорд с помощью нового мощного детектора пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD), который включает в себя еще более сложные алгоритмы 3D-реконструкции. Авторы научной работы отмечают, что разрешение настолько тонко настроено, что единственное размытие, которое остается – это тепловое колебание самих атомов. Звучит сложно, не так ли? Предлагаем не бояться сложных терминов и пробуем разобраться, как новая форма электронной птихографии позволит ученым обнаруживать отдельные атомы в трех измерениях, а также к чему может привести их открытие.

Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.

Как увидеть невидимое?

Современная наука гласит, что атомы являются строительными блоками всего существующего. Но вряд ли такое объяснение устроит всех, ведь если атомы существуют, значит их можно увидеть. Но как? На первый взгляд может показаться, что существует простой способ доказать существование атомов: достаточно поместить их под микроскоп. Но такой подход не сработает. На самом деле, даже самые мощные микроскопы не могут визуализировать отдельные атомы.

Напомним, что увидеть тот или иной объект можно благодаря тому, как он отклоняет видимые световые волны. А вот атомы остаются для нас невидимыми, при этом они оказывают заметное влияние на некоторые вещи. Так, сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхуз изучал странное явление, в котором он не мог до конца разобраться: мельчайшие частицы угольной пыли метались по поверхности спирта в его лаборатории.

Примерно 50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Браун описал нечто похожее, когда направил микроскоп на пыльцевые зерна. Браун заметил, что некоторые зерна выделяют крошечные частицы, которые затем удаляются от пыльцевого зерна в случайном дрожащем танце. Сначала ученый задался вопросом, действительно ли эти частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими веществами, такими как каменная пыль, которая, как он знал, не была живой и снова увидел то же самое странное движение.

Читайте так же:
Как увеличить продолжительность жизни

Специфический тип движения, который обнаружил Роберт Браун сегодня называется в его честь – броуновское движение. Термин подразумевает беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твердого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.

Поиски объяснения продолжались до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не предположил, что частицы пыльцевых зерен перемещались, потому что постоянно сталкивались с миллионами мельчайших молекул воды – молекул, состоящих из атомов. К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, подтвердили реальность атомов. А еще через десять лет, разделяя отдельные атомы, физики начали понимать внутреннюю структуру этих мельчайших частиц.

Электронные микроскопы

Сегодня увидеть изображения отдельных атомов можно с помощью мощных электронных микроскопов, которые генерируют электронные лучи. Это возможно потому, что электронный луч может иметь длину волны в тысячи раз короче светового луча – настолько короткую, что электронные волны могут быть отклонены крошечными атомами для создания изображения, а вот световые лучи сделать этого не могут.

Как отмечает в своей статье для BBC научный журналист Крис Бараньюк, такие изображения полезны для людей, которые хотят изучить атомную структуру специальных веществ – например, тех, которые используются для изготовления батарей для электромобилей.

Птихография (ptychography) – сканирующая техника получения изображений объектов, размеры которых значительно превышают поперечные размеры фокального пятна (электронов, рентгеновского излучения)

Как пишет Nature, ученые из Калифорнийского университета нашли способ создания потрясающе детальной 3D-реконструкции наночастиц платины в атомном масштабе.

Что же до исследования ученых из Корнельского университета, то с помощью новейшей формы электронной птихографии им удалось обнаружить отдельные атомы во всех трех измерениях. Такой способ, как объясняют авторы научной работы, может быть особенно полезен для визуализации полупроводников, катализаторов и квантовых материалов, в том числе используемых в квантовых вычислениях. Примечательно, что новый метод визуализации также можно применять к биологическим клеткам, тканям и даже к синапсным соединениям в мозге. Но как он работает?

Смена парадигмы

Итак, команда инженеров Корнельского университета разработала новый метод электронной микроскопии, мощность которого позволяет им с легкостью установить местонахождение атомов. Метод, который, согласно исследованию, опубликованному в журнале Science, опирается на электронный микроскоп в сочетании со сложными алгоритмами 3D-реконструкции установил новый рекорд в видении атомов.

Все, что мы видим вокруг себя, состоит из этих крошечных частиц.

Отмечу, что прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям. Но теперь ученые действительно могут наблюдать, как атомы дрожат и вибрируют — размытость движения на новых изображениях свидетельствует о точности полученных данных, а не о технической неисправности. В официальном пресс-релизе исследования авторы отмечают, что «вибрация» и «движение» атомов происходит при конечной температуре.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram, чтобы не пропустить ничего интересного!

Хотя новый метод требует много времени и вычислительных затрат, его можно было бы сделать более эффективным с помощью более мощных компьютеров в сочетании с машинным обучением и более быстрыми детекторами. «Мы хотим применить это ко всему, что делаем», – пишут авторы исследования. Ну а мы с вами будем ждать результатов , параллельно желая физикам удачи.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию