Trurl comenzó a atrapar átomos, a arrancarles electrones, a amasar protones hasta que sólo sus dedos parpadeaban, preparó una masa de protones, colocó electrones a su alrededor y, para el siguiente átomo; No habían pasado ni cinco minutos cuando él tenía en sus manos un bloque de oro puro: se lo acercó al hocico, y ella, después de probar el bloque en su diente y asintió con la cabeza, dijo:
- Y efectivamente es oro, pero no puedo perseguir átomos así. Soy demasiado grande.
- ¡Está bien, te daremos un dispositivo especial! - lo persuadió Trurl.
Stanislav Lem, Ciberíada
¿Es posible, utilizando un microscopio, ver un átomo, distinguirlo de otro átomo, observar la destrucción o formación de un enlace químico y ver cómo una molécula se transforma en otra? Sí, si no es un simple microscopio, sino uno de fuerza atómica. Y no es necesario que se limite a la observación. Vivimos en una época en la que el microscopio de fuerza atómica ya no es sólo una ventana al micromundo. Hoy en día, el instrumento se puede utilizar para mover átomos, romper enlaces químicos, estudiar el límite de estiramiento de moléculas individuales e incluso estudiar el genoma humano.
Letras hechas con píxeles de xenón.
Mirar los átomos no siempre fue tan fácil. La historia del microscopio de fuerza atómica comenzó en 1979, cuando Gerd Karl Binnig y Heinrich Rohrer, trabajando en el Centro de Investigación de IBM en Zurich, comenzaron a crear un instrumento que permitiría el estudio de superficies con resolución atómica. Para crear un dispositivo de este tipo, los investigadores decidieron utilizar el efecto túnel, la capacidad de los electrones para superar barreras aparentemente impenetrables. La idea era determinar la posición de los átomos en la muestra midiendo la fuerza de la corriente túnel que surge entre la sonda de exploración y la superficie en estudio.
Binnig y Rohrer lo consiguieron y pasaron a la historia como los inventores del microscopio de efecto túnel (STM), y en 1986 recibieron el Premio Nobel de Física. El microscopio de efecto túnel ha supuesto una auténtica revolución en la física y la química.
En 1990, Don Eigler y Erhard Schweitzer, trabajando en el Centro de Investigación de IBM en California, demostraron que STM se puede utilizar no sólo para observar átomos, sino también para manipularlos. Utilizando una sonda de microscopio de efecto túnel, crearon quizás la imagen más popular que simboliza la transición de los químicos al trabajo con átomos individuales: pintaron tres letras con 35 átomos de xenón en una superficie de níquel (Fig. 1).
Binnig no se durmió en los laureles: en el año en que recibió el Premio Nobel, junto con Christopher Gerber y Kelvin Quaite, quienes también trabajaban en el Centro de Investigación IBM de Zurich, comenzaron a trabajar en otro dispositivo para estudiar el micromundo, sin desventajas. inherente a STM. El hecho es que con la ayuda de un microscopio de efecto túnel era imposible estudiar superficies dieléctricas, sino solo conductores y semiconductores, y para analizar estos últimos era necesario crear un vacío significativo entre ellos y la sonda del microscopio. Al darse cuenta de que crear un nuevo dispositivo era más fácil que actualizar uno existente, Binnig, Gerber y Quaite inventaron el microscopio de fuerza atómica o AFM. El principio de su funcionamiento es radicalmente diferente: para obtener información sobre la superficie, no miden la intensidad de la corriente que surge entre la sonda del microscopio y la muestra en estudio, sino el valor de las fuerzas de atracción que surgen entre ellas, es decir, las débiles. Interacciones no químicas: fuerzas de van der Waals.
El primer modelo funcional de AFM fue relativamente simple. Los investigadores movieron una sonda de diamante sobre la superficie de la muestra, conectada a un sensor micromecánico flexible: un voladizo hecho de lámina de oro (surge una atracción entre la sonda y el átomo, el voladizo se dobla según la fuerza de atracción y deforma el piezoeléctrico). . El grado de flexión del voladizo se determinó mediante sensores piezoeléctricos, de la misma manera que las ranuras y crestas de un disco de vinilo se convierten en una grabación de audio. El diseño del microscopio de fuerza atómica le permitió detectar fuerzas de atracción de hasta 10 a 18 newtons. Un año después de crear un prototipo funcional, los investigadores pudieron obtener una imagen de la topografía de la superficie del grafito con una resolución de 2,5 angstroms.
Durante las tres décadas que han transcurrido desde entonces, el AFM se ha utilizado para estudiar casi cualquier objeto químico, desde la superficie de un material cerámico hasta células vivas y moléculas individuales, tanto en estado estático como dinámico. La microscopía de fuerza atómica se ha convertido en el caballo de batalla de los químicos y científicos de materiales, y el número de estudios que utilizan este método crece constantemente (Fig. 2).
A lo largo de los años, los investigadores han seleccionado condiciones para el estudio de objetos tanto con contacto como sin contacto mediante microscopía de fuerza atómica. El método de contacto se describe anteriormente y se basa en la interacción de van der Waals entre el voladizo y la superficie. Cuando funciona en modo sin contacto, el piezovibrador excita las oscilaciones de la sonda a una determinada frecuencia (con mayor frecuencia resonante). La fuerza ejercida por la superficie hace que cambien tanto la amplitud como la fase de las oscilaciones de la sonda. A pesar de algunas desventajas del método sin contacto (principalmente la sensibilidad al ruido externo), elimina la influencia de la sonda sobre el objeto en estudio y, por lo tanto, es más interesante para los químicos.
Animado por las investigaciones, en busca de conexiones.
La microscopía de fuerza atómica dejó de ser de contacto en 1998 gracias al trabajo del alumno de Binnig, Franz Josef Gissibl. Fue él quien propuso utilizar un oscilador de referencia de cuarzo de frecuencia estable como voladizo. Once años después, investigadores del laboratorio de IBM en Zurich emprendieron otra modificación del AFM sin contacto: el papel de sonda sensora no lo desempeñaba un cristal de diamante afilado, sino una sola molécula: el monóxido de carbono. Esto permitió avanzar hacia la resolución subatómica, como lo demostró Leo Gross del departamento de IBM en Zurich. En 2009, utilizando AFM, hizo visibles no átomos, sino enlaces químicos, obteniendo una "imagen" bastante clara e inequívocamente legible de la molécula de pentaceno (Fig. 3; Ciencia, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Convencido de que los enlaces químicos podían verse mediante AFM, Leo Gross decidió ir más allá y utilizar un microscopio de fuerza atómica para medir la longitud y el orden de los enlaces, parámetros clave para comprender la estructura química y, por tanto, las propiedades de las sustancias.
Recuerde que las diferencias en el orden de los enlaces indican diferentes densidades de electrones y diferentes distancias interatómicas entre dos átomos (en pocas palabras, un doble enlace es más corto que un enlace simple). En el etano, el orden de los enlaces carbono-carbono es uno, en el etileno es dos y en la molécula aromática clásica del benceno, el orden de los enlaces carbono-carbono es mayor que uno pero menor que dos, y se considera que es 1,5.
Determinar el orden de los enlaces es mucho más difícil cuando se pasa de sistemas aromáticos simples a sistemas cíclicos planos o policondensados en masa. Por tanto, el orden de los enlaces en los fullerenos, que consisten en anillos de carbono condensados de cinco y seis miembros, puede tomar cualquier valor de uno a dos. La misma incertidumbre es teóricamente inherente a los compuestos aromáticos policíclicos.
En 2012, Leo Gross, junto con Fabian Mohn, demostró que un microscopio de fuerza atómica con una sonda metálica sin contacto modificada con monóxido de carbono puede medir diferencias en la distribución de carga de los átomos y distancias interatómicas, es decir, parámetros asociados con el orden de los enlaces ( Ciencia, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Para hacer esto, estudiaron dos tipos de enlaces químicos en el fullereno: un enlace carbono-carbono, común a los dos anillos de seis miembros que contienen carbono del fullereno C60, y un enlace carbono-carbono, común a los cinco y seis. -Anillos con miembros. Un microscopio de fuerza atómica ha demostrado que la condensación de anillos de seis miembros produce un enlace más corto y de mayor orden que la condensación de fragmentos cíclicos C 6 y C 5 . El estudio de las características del enlace químico en el hexabenzocoroneno, donde seis anillos C 6 más están ubicados simétricamente alrededor del anillo C 6 central, confirmó los resultados del modelado químico cuántico, según el cual el orden de los enlaces C-C del anillo central (en Fig.4, la carta i) debe ser mayor que los enlaces que conectan este anillo con ciclos periféricos (en la Fig. 4 la letra j). Se obtuvieron resultados similares para un hidrocarburo aromático policíclico más complejo que contiene nueve anillos de seis miembros.
Los órdenes de enlaces y las distancias interatómicas eran, por supuesto, de interés para los químicos orgánicos, pero eran más importantes para quienes estudiaban la teoría de los enlaces químicos, predecían la reactividad y estudiaban los mecanismos de las reacciones químicas. Sin embargo, tanto los químicos sintéticos como los especialistas en el estudio de la estructura de compuestos naturales se llevaron una sorpresa: resultó que con el microscopio de fuerza atómica se puede determinar la estructura de las moléculas del mismo modo que la espectroscopia de RMN o IR. Además, proporciona una respuesta clara a preguntas que estos métodos no pueden resolver.
De la fotografía al cine
En 2010, los mismos Leo Gross y Rainer Ebel lograron establecer sin ambigüedades la estructura de un compuesto natural: el cefalandol A, aislado de una bacteria. Dermacoccus abissi(Química de la naturaleza, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). La composición del cefalandol A se había determinado previamente mediante espectrometría de masas, pero el análisis de los espectros de RMN de este compuesto no dio una respuesta clara a la pregunta sobre su estructura: eran posibles cuatro opciones. Utilizando un microscopio de fuerza atómica, los investigadores eliminaron inmediatamente dos de las cuatro estructuras y eligieron correctamente las dos restantes comparando los resultados obtenidos utilizando AFM y modelado químico cuántico. La tarea resultó difícil: a diferencia del pentaceno, fullereno y coronenos, el cefalandol A no solo contiene átomos de carbono e hidrógeno, además, esta molécula no tiene un plano de simetría (Fig. 5), pero este problema también se resolvió.
Una confirmación adicional de que el microscopio de fuerza atómica puede utilizarse como herramienta analítica la obtuvo el grupo de Oscar Kustanza, que en aquel momento trabajaba en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Osaka. Mostró cómo utilizar AFM para distinguir átomos que difieren entre sí mucho menos que el carbono y el hidrógeno ( Naturaleza, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/naturaleza05530). Kustants examinó la superficie de una aleación compuesta de silicio, estaño y plomo con un contenido conocido de cada elemento. Como resultado de numerosos experimentos, descubrió que la fuerza generada entre la punta de la sonda AFM y diferentes átomos difiere (Fig. 6). Por ejemplo, la interacción más fuerte se observó al sondear el silicio y la interacción más débil se observó al sondear el plomo.
Se supone que en el futuro los resultados de la microscopía de fuerza atómica para el reconocimiento de átomos individuales se procesarán del mismo modo que los resultados de la RMN: comparando valores relativos. Dado que la composición exacta de la punta del sensor es difícil de controlar, el valor absoluto de la fuerza entre el sensor y varios átomos de la superficie depende de las condiciones experimentales y de la marca del dispositivo, pero la relación de estas fuerzas para cualquier composición y forma de el sensor permanece constante para cada elemento químico.
En 2013, aparecieron los primeros ejemplos del uso de AFM para obtener imágenes de moléculas individuales antes y después de reacciones químicas: se crea un "conjunto de fotografías" de productos e intermedios de reacción, que luego se puede editar en una especie de película documental ( Ciencia, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/ciencia.1238187).
Felix Fischer y Michael Crommie de la Universidad de California en Berkeley aplicaron plata a la superficie. 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benceno, tomó imágenes de las moléculas y calentó la superficie para iniciar la ciclación. La mitad de las moléculas originales se convirtieron en estructuras aromáticas policíclicas que constan de cinco anillos fusionados de seis miembros y dos de cinco miembros. Otra cuarta parte de las moléculas formaron estructuras que constan de cuatro anillos de seis miembros conectados a través de un anillo de cuatro miembros y dos anillos de cinco miembros (Fig. 7). Los productos restantes fueron estructuras oligoméricas y, en cantidades menores, isómeros policíclicos.
Estos resultados sorprendieron a los investigadores dos veces. En primer lugar, durante la reacción sólo se formaron dos productos principales. En segundo lugar, su estructura era sorprendente. Fisher señala que la intuición química y la experiencia permitieron extraer docenas de posibles productos de reacción, pero ninguno de ellos correspondía a los compuestos que se formaban en la superficie. Es posible que la aparición de procesos químicos atípicos fuera facilitada por la interacción de las sustancias de partida con el sustrato.
Naturalmente, después de los primeros éxitos importantes en el estudio de los enlaces químicos, algunos investigadores decidieron utilizar el AFM para observar interacciones intermoleculares más débiles y menos estudiadas, en particular los enlaces de hidrógeno. Sin embargo, el trabajo en este ámbito apenas comienza y los resultados son contradictorios. Así, algunas publicaciones informan que la microscopía de fuerza atómica permitió observar los enlaces de hidrógeno ( Ciencia, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), otros argumentan que estos son solo artefactos debido a las características de diseño del dispositivo, y que los resultados experimentales deben interpretarse con más cuidado ( Cartas de revisión física, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Quizás la respuesta final a la pregunta de si el hidrógeno y otras interacciones intermoleculares pueden observarse mediante microscopía de fuerza atómica se obtendrá ya en esta década. Para hacer esto, es necesario aumentar la resolución del AFM al menos varias veces más y aprender a obtener imágenes sin interferencias ( Revisión física B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).
Síntesis de una sola molécula
En manos hábiles, tanto STM como AFM pasan de ser dispositivos capaces de estudiar la materia a dispositivos capaces de cambiar intencionadamente la estructura de la materia. Con la ayuda de estos dispositivos ya se han podido crear “los laboratorios químicos más pequeños”, en los que se utiliza un sustrato en lugar de un matraz y moléculas individuales en lugar de moles o milimoles de sustancias reaccionantes.
Por ejemplo, en 2016, un equipo internacional de científicos dirigido por Takashi Kumagai utilizó microscopía de fuerza atómica sin contacto para convertir la molécula de porficeno de una forma a otra ( Química de la naturaleza, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). El porficeno puede considerarse una modificación de la porfirina, cuyo anillo interno contiene cuatro átomos de nitrógeno y dos átomos de hidrógeno. Las vibraciones de la sonda AFM transfirieron suficiente energía a la molécula de porficeno para transferir estos hidrógenos de un átomo de nitrógeno a otro, y el resultado fue una "imagen especular" de esta molécula (Fig. 8).
El equipo dirigido por el infatigable Leo Gross también demostró que era posible iniciar la reacción de una sola molécula: convirtieron el dibromomantraceno en un diino cíclico de diez miembros (Fig. 9; Química de la naturaleza, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). A diferencia de Kumagai et al., utilizaron un microscopio de efecto túnel para activar la molécula y el resultado de la reacción se controló mediante un microscopio de fuerza atómica.
El uso combinado de un microscopio de efecto túnel y un microscopio de fuerza atómica ha permitido incluso obtener una molécula que no se puede sintetizar mediante técnicas y métodos clásicos ( Nanotecnología de la naturaleza, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Se trata del trianguleno, un diradical aromático inestable cuya existencia se predijo hace seis décadas, pero todos los intentos de síntesis fracasaron (Fig. 10). Los químicos del grupo de Niko Pavlicek obtuvieron el compuesto deseado eliminando dos átomos de hidrógeno de su precursor mediante STM y confirmando el resultado sintético mediante AFM.
Se espera que siga creciendo el número de trabajos dedicados al uso de la microscopía de fuerza atómica en la química orgánica. Actualmente, cada vez más científicos intentan replicar en la superficie reacciones bien conocidas en la "química de soluciones". Pero quizás los químicos sintéticos comiencen a reproducir en solución las reacciones que originalmente se llevaron a cabo en la superficie utilizando AFM.
De no estar vivo a estar vivo
Los voladizos y sondas de los microscopios de fuerza atómica se pueden utilizar no sólo para estudios analíticos o la síntesis de moléculas exóticas, sino también para resolver problemas aplicados. Ya se conocen casos de uso de AFM en medicina, por ejemplo, para el diagnóstico precoz del cáncer, y aquí el pionero es el mismo Christopher Gerber, que participó en el desarrollo del principio de la microscopía de fuerza atómica y la creación de AFM.
Así, Gerber pudo enseñar a AFM a detectar mutaciones puntuales en el ácido ribonucleico en melanoma (en material obtenido como resultado de una biopsia). Para ello, se modificó el voladizo de oro de un microscopio de fuerza atómica con oligonucleótidos que pueden entrar en interacción intermolecular con el ARN, y la fuerza de esta interacción también se puede medir gracias al efecto piezoeléctrico. La sensibilidad del sensor AFM es tan alta que ya están intentando utilizarlo para estudiar la eficacia del popular método de edición del genoma CRISPR-Cas9. Aquí confluyen tecnologías creadas por diferentes generaciones de investigadores.
Parafraseando un clásico de una de las teorías políticas, podemos decir que ya vemos las posibilidades ilimitadas y la inagotabilidad de la microscopía de fuerza atómica y difícilmente podemos imaginar lo que nos espera en relación con el desarrollo futuro de estas tecnologías. Pero hoy en día, los microscopios de efecto túnel y los microscopios de fuerza atómica nos dan la oportunidad de ver y tocar los átomos. Podemos decir que esto no es sólo una extensión de nuestros ojos, que nos permite mirar el microcosmos de átomos y moléculas, sino también nuevos ojos, nuevos dedos, capaces de tocar y controlar este microcosmos.
Un átomo (del griego “indivisible”) es la partícula más pequeña de una sustancia de tamaño microscópico, la parte más pequeña de un elemento químico que porta sus propiedades. Los componentes de un átomo (protones, neutrones, electrones) ya no tienen estas propiedades y las forman juntas. Los átomos covalentes forman moléculas. Los científicos estudian las características del átomo y, aunque ya están bastante bien estudiadas, no pierden la oportunidad de encontrar algo nuevo, en particular, en el campo de la creación de nuevos materiales y nuevos átomos (continuación de la tabla periódica). El 99,9% de la masa de un átomo se encuentra en el núcleo.
No os dejéis intimidar por el título. El agujero negro, creado accidentalmente por empleados del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, resultó tener solo el tamaño de un átomo, por lo que nada nos amenaza. Y el nombre “agujero negro” describe sólo remotamente el fenómeno observado por los investigadores. Les hemos hablado repetidamente del láser de rayos X más potente del mundo, llamado
De hecho, el autor de RTCh ha ido tan lejos en sus “reflexiones” que es hora de provocar una fuerte contraargumentación, a saber, los datos de un experimento realizado por científicos japoneses para fotografiar el átomo de hidrógeno, que se conoció el 4 de noviembre. , 2010. La imagen muestra claramente la forma atómica, confirmando tanto la discreción como la redondez de los átomos: “Un grupo de científicos y especialistas de la Universidad de Tokio fotografiaron por primera vez en el mundo un átomo de hidrógeno individual, el más ligero y el más pequeño de todos los átomos. informan las agencias de noticias.
La fotografía fue tomada utilizando una de las últimas tecnologías: un microscopio electrónico de barrido especial. Con este dispositivo, se fotografió un átomo de vanadio separado junto con un átomo de hidrógeno.
El diámetro de un átomo de hidrógeno es una diezmilmillonésima parte de un metro. Anteriormente se creía que era casi imposible fotografiarlo con equipos modernos. El hidrógeno es la sustancia más común. Su participación en todo el Universo es aproximadamente del 90%.
Según los científicos, de la misma forma se pueden capturar otras partículas elementales. "Ahora podemos ver todos los átomos que componen nuestro mundo", afirmó el profesor Yuichi Ikuhara. "Se trata de un avance hacia nuevas formas de producción, cuando en el futuro será posible tomar decisiones a nivel de átomos y moléculas individuales".
Átomo de hidrógeno, colores relativos.
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Un grupo de científicos de Alemania, Grecia, Países Bajos, Estados Unidos y Francia tomaron fotografías del átomo de hidrógeno. Estas imágenes, obtenidas mediante un microscopio de fotoionización, muestran una distribución de densidad electrónica que es completamente consistente con los resultados de los cálculos teóricos. El trabajo del equipo internacional se presenta en las páginas de Physical Review Letters.
La esencia del método de fotoionización es la ionización secuencial de átomos de hidrógeno, es decir, la eliminación de un electrón de ellos debido a la irradiación electromagnética. Los electrones separados se dirigen a la matriz sensible a través de un anillo cargado positivamente, y la posición del electrón en el momento de la colisión con la matriz refleja la posición del electrón en el momento de la ionización del átomo. El anillo cargado, que desvía los electrones hacia un lado, actúa como una lente y con su ayuda la imagen se amplía millones de veces.
Este método, descrito en 2004, ya se había utilizado para tomar “fotografías” de moléculas individuales, pero los físicos fueron más allá y utilizaron un microscopio de fotoionización para estudiar los átomos de hidrógeno. Dado que el impacto de un electrón produce solo un punto, los investigadores acumularon alrededor de 20 mil electrones individuales de diferentes átomos y compilaron una imagen promedio de las capas de electrones.
Según las leyes de la mecánica cuántica, el electrón en un átomo no tiene por sí solo ninguna posición específica. Sólo cuando un átomo interactúa con el entorno externo aparece un electrón con una probabilidad u otra en una determinada vecindad del núcleo atómico: la región en la que la probabilidad de detectar un electrón es máxima se llama capa de electrones. Las nuevas imágenes muestran diferencias entre átomos de diferentes estados energéticos; Los científicos pudieron demostrar claramente la forma de las capas de electrones predicha por la mecánica cuántica.
Con la ayuda de otros dispositivos, como los microscopios de efecto túnel, no sólo se pueden ver átomos individuales, sino también moverlos al lugar deseado. Hace aproximadamente un mes, esta técnica permitió a los ingenieros de IBM dibujar una caricatura, cada cuadro del cual está compuesto de átomos: estos experimentos artísticos no tienen ningún efecto práctico, pero demuestran la posibilidad fundamental de manipular átomos. Para fines aplicados, ya no se utiliza ensamblaje atómico, sino procesos químicos con autoorganización de nanoestructuras o autolimitación del crecimiento de capas monoatómicas sobre el sustrato.
Como sabes, todo lo material del Universo está formado por átomos. Un átomo es la unidad más pequeña de materia que porta sus propiedades. A su vez, la estructura del átomo está formada por una trinidad mágica de micropartículas: protones, neutrones y electrones.
Además, cada una de las micropartículas es universal. Es decir, no se pueden encontrar dos protones, neutrones o electrones diferentes en el mundo. Todos son absolutamente similares entre sí. Y las propiedades del átomo dependerán únicamente de la composición cuantitativa de estas micropartículas en la estructura general del átomo.
Por ejemplo, la estructura de un átomo de hidrógeno consta de un protón y un electrón. El siguiente átomo más complejo, el helio, consta de dos protones, dos neutrones y dos electrones. Un átomo de litio está formado por tres protones, cuatro neutrones y tres electrones, etc.
Estructura atómica (de izquierda a derecha): hidrógeno, helio, litio
Los átomos se combinan para formar moléculas y las moléculas se combinan para formar sustancias, minerales y organismos. La molécula de ADN, que es la base de todos los seres vivos, es una estructura ensamblada a partir de los mismos tres ladrillos mágicos del universo que la piedra que yace en el camino. Aunque esta estructura es mucho más compleja.
Se revelan hechos aún más sorprendentes cuando intentamos observar más de cerca las proporciones y la estructura del sistema atómico. Se sabe que un átomo consta de un núcleo y electrones que se mueven a su alrededor a lo largo de una trayectoria que describe una esfera. Es decir, ni siquiera se le puede llamar movimiento en el sentido habitual de la palabra. Más bien, el electrón se encuentra en todas partes e inmediatamente dentro de esta esfera, creando una nube de electrones alrededor del núcleo y formando un campo electromagnético.
Representaciones esquemáticas de la estructura del átomo.
El núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones, y en él se concentra casi toda la masa del sistema. Pero al mismo tiempo, el núcleo en sí es tan pequeño que si su radio se aumenta a una escala de 1 cm, el radio de toda la estructura atómica alcanzará los cientos de metros. Así, todo lo que percibimos como materia densa se compone de más del 99% de los enlaces energéticos entre partículas físicas y menos del 1% de las formas físicas mismas.
Pero ¿cuáles son estas formas físicas? ¿De qué están hechos y de qué material son? Para responder a estas preguntas, echemos un vistazo más de cerca a las estructuras de protones, neutrones y electrones. Entonces, descendemos un paso más hacia las profundidades del micromundo: al nivel de las partículas subatómicas.
¿En qué consiste un electrón?
La partícula más pequeña de un átomo es un electrón. Un electrón tiene masa pero no volumen. En el concepto científico, un electrón no consiste en nada, sino que es un punto sin estructura.
Un electrón no se puede ver bajo un microscopio. Sólo es visible en forma de una nube de electrones, que parece una esfera borrosa alrededor del núcleo atómico. Al mismo tiempo, es imposible decir con precisión dónde se encuentra el electrón en un momento determinado. Los instrumentos no son capaces de capturar la partícula en sí, sino sólo su rastro de energía. La esencia del electrón no está contenida en el concepto de materia. Es más bien como una forma vacía que existe sólo en movimiento y debido al movimiento.
Aún no se ha descubierto ninguna estructura en el electrón. Es la misma partícula puntual que un cuanto de energía. De hecho, un electrón es energía, sin embargo, es una forma más estable de la misma que la representada por los fotones de luz.
Actualmente, el electrón se considera indivisible. Esto es comprensible, porque es imposible dividir algo que no tiene volumen. Sin embargo, ya se ha desarrollado la teoría según la cual el electrón contiene una trinidad de cuasipartículas como:
- Orbiton: contiene información sobre la posición orbital del electrón;
- Spinon – responsable del giro o torsión;
- Holon: transporta información sobre la carga del electrón.
Sin embargo, como vemos, las cuasipartículas no tienen absolutamente nada en común con la materia y sólo contienen información.
Fotografías de átomos de diferentes sustancias en un microscopio electrónico.
Curiosamente, un electrón puede absorber cuantos de energía, como luz o calor. En este caso, el átomo pasa a un nuevo nivel de energía y los límites de la nube de electrones se expanden. También sucede que la energía absorbida por un electrón es tan grande que puede saltar del sistema atómico y continuar su movimiento como partícula independiente. Al mismo tiempo, se comporta como un fotón de luz, es decir, parece dejar de ser una partícula y comienza a exhibir propiedades de onda. Esto se demostró en un experimento.
el experimento de jung
Durante el experimento, se dirigió una corriente de electrones hacia una pantalla con dos rendijas. Al pasar por estas rendijas, los electrones chocaron con la superficie de otra pantalla de proyección, dejando su huella en ella. Como resultado de este “bombardeo” de electrones, apareció en la pantalla de proyección un patrón de interferencia similar al que aparecería si a través de dos rendijas pasaran ondas, pero no partículas.
Este patrón se produce porque una onda que pasa entre dos rendijas se divide en dos ondas. Como resultado de un mayor movimiento, las ondas se superponen y, en algunas zonas, se anulan mutuamente. El resultado son muchas líneas en la pantalla de proyección, en lugar de solo una, como sería el caso si el electrón se comportara como una partícula.
Estructura del núcleo de un átomo: protones y neutrones.
Los protones y los neutrones forman el núcleo de un átomo. Y a pesar de que el núcleo ocupa menos del 1% del volumen total, es en esta estructura donde se concentra casi toda la masa del sistema. Pero los físicos están divididos sobre la estructura de los protones y los neutrones, y por el momento existen dos teorías.
- Teoría No. 1 - Estándar
El Modelo Estándar dice que los protones y los neutrones están formados por tres quarks conectados por una nube de gluones. Los quarks son partículas puntuales, al igual que los cuantos y los electrones. Y los gluones son partículas virtuales que aseguran la interacción de los quarks. Sin embargo, nunca se encontraron quarks ni gluones en la naturaleza, por lo que este modelo está sujeto a severas críticas.
- Teoría #2 - Alternativa
Pero según la teoría alternativa del campo unificado, desarrollada por Einstein, el protón, como el neutrón, como cualquier otra partícula del mundo físico, es un campo electromagnético que gira a la velocidad de la luz.
Campos electromagnéticos del hombre y el planeta.
¿Cuáles son los principios de la estructura atómica?
Todo en el mundo (sutil y denso, líquido, sólido y gaseoso) son solo estados de energía de innumerables campos que impregnan el espacio del Universo. Cuanto mayor es el nivel de energía en el campo, más fino y menos perceptible es. Cuanto menor sea el nivel de energía, más estable y tangible será. La estructura del átomo, así como la estructura de cualquier otra unidad del Universo, radica en la interacción de tales campos, diferentes en densidad de energía. Resulta que la materia es sólo una ilusión de la mente.
Físicos de EE. UU. lograron capturar átomos individuales en fotografías con una resolución récord, informa Day.Az citando Vesti.ru
Los científicos de la Universidad de Cornell en EE.UU. lograron capturar átomos individuales en fotografías con una resolución récord: menos de medio angstrom (0,39 Å). Las fotografías anteriores tenían la mitad de resolución: 0,98 Å.
Desde hace medio siglo existen potentes microscopios electrónicos que pueden ver átomos, pero su resolución está limitada por la longitud de onda de la luz visible, que es mayor que el diámetro del átomo promedio.
Por lo tanto, los científicos utilizan un cierto análogo de las lentes que enfocan y amplían las imágenes en los microscopios electrónicos: este es un campo magnético. Sin embargo, las fluctuaciones del campo magnético distorsionan los resultados obtenidos. Para eliminar distorsiones, se utilizan dispositivos adicionales que corrigen el campo magnético, pero al mismo tiempo aumentan la complejidad del diseño del microscopio electrónico.
Anteriormente, físicos de la Universidad de Cornell desarrollaron el detector de matriz de píxeles de microscopio electrónico (EMPAD), que reemplaza un complejo sistema de generadores que enfoca los electrones entrantes en una pequeña matriz con una resolución de 128x128 píxeles que es sensible a los electrones individuales. Cada píxel registra el ángulo de reflexión del electrón; Sabiéndolo, los científicos utilizan la técnica de la ptiakografía para reconstruir las características de los electrones, incluidas las coordenadas del punto desde el que fueron liberados.
Átomos en la más alta resolución.
David A. Müller et al. Naturaleza, 2018.
En el verano de 2018, los físicos decidieron mejorar la calidad de las imágenes resultantes hasta alcanzar una resolución récord hasta la fecha. Los científicos adhirieron una lámina de material 2D, sulfuro de molibdeno MoS2, a un haz en movimiento y liberaron haces de electrones girando el haz en diferentes ángulos con respecto a la fuente de electrones. Utilizando EMPAD y ptacografía, los científicos determinaron las distancias entre los átomos de molibdeno individuales y obtuvieron una imagen con una resolución récord de 0,39 Å.
"Básicamente creamos la línea más pequeña del mundo", explica Sol Gruner, uno de los autores del experimento. En la imagen resultante se pudieron distinguir átomos de azufre con una resolución récord de 0,39 Å. Además, incluso fue posible discernir un lugar donde faltaba uno de esos átomos (indicado por una flecha).
Átomos de azufre en resolución récord