Trurl hakkas aatomeid püüdma, neilt elektrone maha kraapima, prootoneid sõtkuma, nii et ainult sõrmed värelesid, valmistas prootonitaina, pani selle ümber elektronid ja - järgmise aatomi jaoks; polnud möödunud viis minutitki, enne kui ta hoidis käes tükki puhast kulda: ta ulatas selle oma koonule, naine maitses tükki hambal ja noogutas pead, ütles:
- Ja tõepoolest, kuld, ainult mina ei saa niimoodi aatomeid taga ajada. Ma olen liiga suur.
- Ei midagi, me anname teile spetsiaalse aparaadi! Trurl veenis teda.
Stanislav Lem, "Cyberiada"
Kas mikroskoobiga on võimalik näha aatomit, eristada seda teisest aatomist, jälgida keemilise sideme hävimist või moodustumist ja näha, kuidas üks molekul muutub teiseks? Jah, kui see pole lihtne mikroskoop, vaid aatomjõuline. Või te ei pruugi piirduda ainult vaatlusega. Me elame ajal, mil aatomijõumikroskoop ei ole enam lihtsalt aken mikrokosmosesse. Tänapäeval saab seda seadet kasutada aatomite liigutamiseks, keemiliste sidemete katkestamiseks, üksikute molekulide tõmbepiiri uurimiseks – ja isegi inimese genoomi uurimiseks.
Xenon pikslitähed
Aatomeid pole alati lihtne vaadata. Aatomijõumikroskoobi ajalugu sai alguse 1979. aastal, kui Gerd Karl Binnig ja Heinrich Rohrer IBMi uurimiskeskuses Zürichis hakkasid välja töötama instrumendi, mis võimaldaks uurida aatomi eraldusvõimega pindu. Sellise seadme väljamõtlemiseks otsustasid teadlased kasutada tunneli ristmiku efekti – elektronide võimet ületada näiliselt läbimatuid tõkkeid. Idee oli määrata aatomite asukoht proovis, mõõtes skaneeriva sondi ja uuritava pinna vahel tekkiva tunnelivoolu tugevust.
Binnigil ja Rohreril see õnnestus ning nad läksid ajalukku skaneeriva tunnelmikroskoobi (STM) leiutajatena ning 1986. aastal said nad Nobeli füüsikaauhinna. Skaneeriv tunnelmikroskoop on füüsikas ja keemias revolutsiooniliselt muutnud.
1990. aastal näitasid Californias IBMi uurimiskeskuses töötanud Don Aigler ja Erhard Schweizer, et STM-i saab kasutada mitte ainult aatomite vaatlemiseks, vaid ka nendega manipuleerimiseks. Skaneeriva tunnelmikroskoobi sondi abil lõid nad vaieldamatult kõige populaarsema pildi keemikute üleminekust üksikute aatomitega töötamisele – nad maalisid nikli pinnale kolm tähte 35 ksenooni aatomiga (joonis 1).
Binnig ei jäänud loorberitele puhkama – aastal, mil ta sai Nobeli preemia, alustas ta koos Christopher Gerberi ja Calvin Quaitiga, kes töötasid ka IBMi Zürichi uurimiskeskuses, tööd veel ühe mikrokosmose uurimise seadmega, millel puudusid puudused. STM-ile omane. Fakt on see, et skaneeriva tunnelmikroskoobi abil oli võimatu uurida dielektrilisi pindu, vaid ainult juhte ja pooljuhte ning viimaste analüüsimiseks tuli tekitada nende ja mikroskoobisondi vahele märkimisväärne haruldus. Mõistes, et uue seadme loomine on lihtsam kui olemasoleva uuendamine, leiutasid Binnig, Gerber ja Quait aatomjõumikroskoobi ehk AFM-i. Selle tööpõhimõte on põhimõtteliselt erinev: pinna kohta teabe saamiseks ei mõõdeta mitte mikroskoobisondi ja uuritava proovi vahel tekkivat voolu, vaid nende vahel tekkivate tõmbejõudude väärtust, st. nõrgad mittekeemilised vastasmõjud – van der Waalsi jõud.
AFM-i esimene töötav mudel oli suhteliselt lihtne. Teadlased liigutasid painduva mikromehaanilise anduriga ühendatud teemantsondi – kuldfooliumist konsooli üle proovipinna (sondi ja aatomi vahel tekib külgetõmme, konsool paindub sõltuvalt tõmbejõust ja deformeerib piesoelektri). Konsooli painde aste määrati piesoelektriliste andurite abil - sarnasel viisil muudetakse vinüülplaadi sooned ja servad helisalvestuseks. Aatomjõumikroskoobi konstruktsioon võimaldas tuvastada ligitõmbavaid jõude kuni 10–18 njuutonini. Aasta pärast töötava prototüübi loomist õnnestus teadlastel saada grafiidist pinnareljeefi kujutis eraldusvõimega 2,5 angströmi.
Sellest ajast möödunud kolme aastakümne jooksul on AFM-i kasutatud peaaegu kõigi keemiliste objektide uurimiseks – alates keraamilise materjali pinnast kuni elusrakkude ja üksikute molekulideni, nii staatilises kui dünaamilises olekus. Aatomjõumikroskoopiast on saanud keemikute ja materjaliteadlaste tööhobune ning tööde arv, milles seda meetodit rakendatakse, kasvab pidevalt (joonis 2).
Aastate jooksul on teadlased leidnud tingimused nii kontakt- kui ka mittekontaktseks objektide uurimiseks aatomjõumikroskoopia abil. Kontaktmeetodit on kirjeldatud ülal ja see põhineb van der Waalsi interaktsioonil konsooli ja pinna vahel. Kontaktivabas režiimis töötades ergastab pieso vibraator sondi võnkumisi teatud sagedusel (enamasti resonantse). Pinnalt mõjuv jõud põhjustab nii sondi amplituudi kui faasi muutumise. Vaatamata kontaktivaba meetodi mõningatele puudustele (eelkõige tundlikkus välismüra suhtes), välistab just see meetod sondi mõju uuritavale objektile, mis tähendab, et see on keemikutele huvitavam.
Elus sondide abil, otsides ühendusi
Kontaktivaba aatomjõumikroskoopia sai 1998. aastal tänu Binnigi õpilase Franz Josef Gissible tööle. Just tema soovitas kasutada konsoolina stabiilse sagedusega kvartsist referentsostsillaatorit. 11 aastat hiljem võtsid Zürichi IBMi labori teadlased ette veel ühe mittekontaktse AFM-i modifikatsiooni: sondi-anduri rolli ei mänginud mitte terav teemantkristall, vaid üks molekul - süsinikmonooksiid. See võimaldas üleminekut subatomaarsele eraldusvõimele, nagu näitas Leo Gross IBMi Zürichi osakonnast. 2009. aastal tegi ta AFM-i abil nähtavaks mitte enam aatomid, vaid keemilised sidemed, saades pentatseenimolekuli kohta üsna selge ja üheselt loetava "pildi" (joon. 3; Teadus, 2009, 325, 5944, 1110-1114, doi: 10.1126 / science.1176210).
Olles veendunud, et AFM suudab näha keemilist sidet, otsustas Leo Gross minna kaugemale ja kasutada aatomjõumikroskoopi, et mõõta sidemete pikkusi ja järjestusi – võtmeparameetrid keemilise struktuuri ja seega ka ainete omaduste mõistmiseks.
Tuletame meelde, et erinevus sidemete järjestustes näitab elektronide tiheduse erinevaid väärtusi ja erinevaid aatomitevahelisi kaugusi kahe aatomi vahel (lihtsamalt öeldes on kaksikside lühem kui üksikside). Etaanis on süsinik-süsinik sideme järjekord üks, etüleenis - kaks ja klassikalises aromaatses molekulis - benseenis - süsinik-süsinik sideme järjekord on suurem kui üks, kuid väiksem kui kaks ja seda peetakse võrdseks. kuni 1,5.
Kui minna lihtsatest aromaatsetest süsteemidest tasapinnaliste või mahukate polükondenseeritud tsüklisüsteemideni, on sidemete järjestuse määramine palju keerulisem. Seega võib viie- ja kuueliikmelistest kondenseerunud süsinikutsüklitest koosnevate fullereenide sidemete järjestus olla mis tahes väärtusega üks kuni kaks. Sama määramatus on teoreetiliselt omane ka polütsüklilistele aromaatsetele ühenditele.
2012. aastal näitas Leo Gross koos Fabian Monniga, et süsinikmonooksiidiga modifitseeritud metallist kontaktivaba sondiga aatomjõumikroskoobi abil saab mõõta erinevusi aatomite laengujaotuses ja aatomitevahelistes kaugustes – st parameetrite järjestuses. võlakiri ( Teadus, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126 / science.1225621).
Selleks uurisid nad fullereeni kahte tüüpi keemilisi sidemeid – süsinik-süsinik sidet, mis on ühised kahe kuueliikmelise süsinikku sisaldava C 60-fulereeni tsükliga, ning süsinik-süsinik sidet, mis on ühine viie- ja kuueliikmeliste tsüklitega. Aatomjõumikroskoop näitas, et kuueliikmeliste tsüklite kondenseerumisel tekib side, mis on lühem ja kõrgemat järku kui tsükliliste fragmentide C 6 ja C 5 kondenseerumine. Keemilise sideme tunnuste uurimine heksabensokoronenis, kus keskse C 6 tsükli ümber paikneb sümmeetriliselt veel kuus C6 tsüklit, kinnitas kvantkeemilise modelleerimise tulemusi, mille kohaselt on keskse tsükli C – C sidemete järjestus (in. Joonis 4, kiri i) peab olema suurem kui sidemed, mis ühendavad seda rõngast perifeersete tsüklitega (joonisel 4, täht j). Sarnased tulemused saadi keerukama polütsüklilise aromaatse süsivesiniku puhul, mis sisaldab üheksat kuueliikmelist tsüklit.
Sidemete järjestused ja aatomitevahelised kaugused pakkusid muidugi huvi orgaaniliste keemikute jaoks, kuid olulisem oli see neile, kes tegelesid keemiliste sidemete teooriaga, reaktsioonivõime ennustamisega ja keemiliste reaktsioonide mehhanismide uurimisega. Sellegipoolest tabas nii sünteetilisi keemikuid kui ka looduslike ühendite ehituse uurimisega tegelevaid spetsialiste üllatus: selgus, et aatomjõumikroskoobi abil saab molekulide struktuuri kindlaks teha samamoodi nagu TMR- või IR-spektroskoopiaga. Lisaks annab see ühemõttelise vastuse küsimustele, millega need meetodid toime ei tule.
Fotograafiast filmikunstini
2010. aastal suutsid samad Leo Gross ja Rainer Ebel üheselt kindlaks teha bakterist eraldatud loodusliku ühendi - tsefalandool A - struktuuri. Dermacoccus abyssi(Looduskeemia, 2010, 2, 821-825, doi: 10.1038 / nchem.765). Tsefalandool A koostis määrati varem massispektromeetria abil, kuid selle ühendi NMR-spektrite analüüs ei andnud selle struktuuri küsimusele ühemõttelist vastust: võimalikud olid neli varianti. Aatomjõumikroskoobi abil jätsid teadlased neljast struktuurist kohe välja kaks ja tegid ülejäänud kahe hulgast õige valiku, võrreldes AFM-i ja kvantkeemilise modelleerimise tulemusi. Ülesanne osutus keeruliseks: erinevalt pentatseenist, fullereenist ja koroneenidest sisaldab tsefalandool A mitte ainult süsiniku- ja vesinikuaatomeid, pealegi puudub sellel molekulil sümmeetriatasand (joon. 5) - aga see probleem sai ka lahendatud.
Veel üks kinnitus, et aatomjõumikroskoopi saab kasutada analüütilise vahendina, tuli Oskar Kustanzi rühmalt, kes töötas sel ajal Osaka ülikooli tehnikakoolis. Ta näitas, kuidas kasutada AFM-i, et eristada aatomeid, mis erinevad üksteisest palju vähem kui süsinik ja vesinik ( Loodus, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038 / nature05530). Kostanz uuris ränist, tinast ja pliist koosneva sulami pinda, mille iga elemendi sisaldus on teada. Arvukate katsete tulemusena sai ta teada, et AFM-sondi otsa ja erinevate aatomite vahel tekkiv jõud on erinev (joonis 6). Näiteks täheldati tugevaimat interaktsiooni räni sondeerimisel ja nõrgimat plii sondeerimisel.
Eeldatakse, et tulevikus töödeldakse aatomjõumikroskoopia tulemusi üksikute aatomite äratundmiseks samamoodi nagu NMR tulemusi - suhteliste väärtuste võrdlemise teel. Kuna sondi nõela täpset koostist on raske kontrollida, sõltub sondi ja erinevate pinnaaatomite vahelise jõu absoluutväärtus katsetingimustest ja seadme kaubamärgist, kuid nende jõudude suhe mis tahes koostise ja kuju korral. sond jääb iga keemilise elemendi puhul konstantseks.
2013. aastal ilmusid esimesed näited AFM-i kasutamisest üksikute molekulide kujutiste saamiseks enne ja pärast keemilisi reaktsioone: reaktsiooni saadustest ja vaheühenditest luuakse "fotosett", mida saab seejärel monteerida omamoodi dokumentaalfilmina ( Teadus, 2013, 340, 6139, 1434-1437; doi: 10.1126 / teadus.1238187).
Felix Fischer ja Michael Crommey California ülikoolist Berkeleys kandsid pinnale hõbedat 1,2-bis [(2-etünüülfenüül)etünüül]benseen, kujutas molekule ja kuumutas pinda tsükliseerimise algatamiseks. Pooled algsetest molekulidest muutusid polütsüklilisteks aromaatseteks struktuurideks, mis koosnesid kondenseerunud viiest kuueliikmelisest ja kahest viieliikmelisest ringist. Teine veerand molekulidest moodustas struktuurid, mis koosnesid neljast kuueliikmelisest tsüklist, mis olid seotud ühe neljaliikmelise tsükli ja kahe viieliikmelise tsükli kaudu (joonis 7). Ülejäänud tooted olid oligomeersed struktuurid ja vähesel määral polütsüklilised isomeerid.
Need tulemused üllatasid teadlasi kaks korda. Esiteks tekkis reaktsiooni käigus ainult kaks põhiprodukti. Teiseks üllatas nende struktuur. Fischer märgib, et keemiline intuitsioon ja kogemus võimaldasid tal joonistada kümneid võimalikke reaktsiooniprodukte, kuid ükski neist ei vastanud pinnal tekkinud ühenditele. Võimalik, et ebatüüpiliste keemiliste protsesside tekkimist soodustas algainete interaktsioon substraadiga.
Loomulikult otsustasid mõned teadlased pärast esimesi tõsiseid edusamme keemiliste sidemete uurimisel kasutada AFM-i, et jälgida nõrgemaid ja vähem uuritud molekulidevahelisi interaktsioone, eriti vesiniksidemeid. Töö selles valdkonnas on aga alles algamas ja tulemused on vastuolulised. Nii on mõnes väljaandes teatatud, et aatomjõumikroskoopia võimaldas jälgida vesiniksidemeid ( Teadus, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126 / science.1242603), teistes väidavad nad, et need on seadme disainiomaduste tõttu lihtsalt artefaktid ja katsetulemusi tuleb tõlgendada täpsemalt ( Füüsilise ülevaate kirjad, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103 / PhysRevLett.113.186102). Võib-olla saadakse lõplik vastus küsimusele, kas aatomjõumikroskoopiat kasutades on võimalik jälgida vesinikku ja muid molekulidevahelisi interaktsioone, juba sel kümnendil. Selleks on vaja AFM-i eraldusvõimet vähemalt mitu korda suurendada ja õppida, kuidas saada pilte ilma häireteta ( Füüsiline ülevaade B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103 / PhysRevB.90.085421).
Ühe molekuli süntees
Osavates kätes muutuvad nii STM kui ka AFM ainet uurivatest seadmetest seadmeteks, mis on võimelised aine struktuuri suunatult muutma. Nende seadmete abil on juba õnnestunud saada "kõige väiksemaid keemialaboreid", kus kolvi asemel kasutatakse substraati ja reagentide moolide või millimoolide asemel üksikuid molekule.
Näiteks 2016. aastal kasutas Takashi Kumagai juhitud rahvusvaheline teadlaste meeskond mittekontaktset aatomjõumikroskoopiat, et viia porfüseeni molekul ühest vormist teise ( Looduskeemia, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038 / nchem.2552). Porfütseeni võib pidada porfüriini modifikatsiooniks, mille sisetsükkel sisaldab nelja lämmastikuaatomit ja kahte vesinikuaatomit. AFM-sondi vibratsioonid kandsid porfütseenimolekulile üle piisavalt energiat, et need vesinikud ühelt lämmastikuaatomilt teisele üle kanda ja tulemuseks oli selle molekuli "peegelpilt" (joonis 8).
Väsimatu Leo Grossi juhitud rühm näitas samuti, et oli võimalik algatada ühe molekuli reaktsioon – nad muutsid dibromoantratseeni kümneliikmeliseks tsükliliseks diüüniks (joonis 9; Looduskeemia, 2015, 7, 623-628, doi: 10.1038 / nchem.2300). Erinevalt Kumagai jt kasutasid nad molekuli aktiveerimiseks skaneerivat tunnelmikroskoopi ning reaktsiooni tulemust jälgiti aatomjõumikroskoobiga.
Skaneeriva tunnelmikroskoobi ja aatomjõumikroskoobi kombineeritud kasutamine võimaldas isegi saada molekuli, mida ei saa klassikaliste tehnikate ja meetoditega sünteesida ( Looduse nanotehnoloogia, 2017, 12, 308-311, doi: 10.1038 / nnano.2016.305). See on trianguleen, ebastabiilne aromaatne biradikaal, mille olemasolu ennustati kuus aastakümmet tagasi, kuid kõik sünteesikatsed olid ebaõnnestunud (joonis 10). Niko Pavliceki rühma keemikud said soovitud ühendi, eemaldades selle prekursorist STM-i abil kaks vesinikuaatomit ja kinnitades sünteetilise tulemuse AFM-i abil.
Eeldatakse, et orgaanilises keemias aatomjõumikroskoopia kasutamisele pühendatud tööde arv kasvab jätkuvalt. Praegu üritab üha rohkem teadlasi pinnal korrata reaktsioone, mis on hästi tuntud "lahuse keemia" all. Kuid võib-olla hakkavad sünteetilised keemikud lahuses reprodutseerima reaktsioone, mis algselt viidi läbi pinnal, kasutades AFM-i.
Elamatust elamiseks
Aatomjõumikroskoopide konsoole ja sonde saab kasutada mitte ainult analüütiliseks uurimiseks või eksootiliste molekulide sünteesiks, vaid ka rakenduslike probleemide lahendamiseks. Juba on teada juhtumeid AFM-i kasutamisest meditsiinis, näiteks vähi varajaseks diagnoosimiseks ja siin on teerajajaks seesama Christopher Gerber, kellel oli käsi aatomjõumikroskoopia printsiibi väljatöötamisel ja loomisel. AFM-ist.
Niisiis suutis Gerber õpetada AFM-i määrama ribonukleiinhappe punktmutatsiooni melanoomi korral (biopsia tulemusel saadud materjalil). Selleks modifitseeriti aatomjõumikroskoobi kuldkonsool oligonukleotiididega, mis võivad RNA-ga molekulidevahelisse interaktsiooni astuda ning selle interaktsiooni tugevust saab piesoelektrilise efekti tõttu siiski mõõta. AFM-anduri tundlikkus on nii suur, et sellega püütakse juba praegu uurida populaarse CRISPR-Cas9 genoomi redigeerimismeetodi efektiivsust. See koondab erinevate põlvkondade teadlaste loodud tehnoloogiaid.
Parafraseerides ühe poliitikateooria klassikat, võib öelda, et näeme juba praegu aatomjõumikroskoopia lõputuid võimalusi ja ammendamatust ning vaevalt suudame ette kujutada, mis meid ees ootab seoses nende tehnoloogiate edasiarendamisega. Kuid juba täna võimaldavad skaneeriv tunnelmikroskoop ja aatomijõumikroskoop aatomeid näha ja katsuda. Võime öelda, et see pole ainult meie silmade laiendus, mis võimaldab meil vaadata aatomite ja molekulide mikrokosmosesse, vaid ka uued silmad, uued sõrmed, mis saavad seda mikrokosmost puudutada ja juhtida.
Aatom (kreeka keelest "Jagamatu") - kunagine mikroskoopilise suurusega aineosake, keemilise elemendi väikseim osa, mis kannab selle omadusi. Aatomi koostisosad – prootonid, neutronid, elektronid – ei oma enam neid omadusi ja moodustavad need koos. Kovalentsed aatomid moodustavad molekule. Teadlased uurivad aatomi omadusi ja kuigi need on juba üsna hästi uuritud, ei jäta nad kasutamata võimalust leida midagi uut – eelkõige uute materjalide ja uute aatomite loomise vallas (jättes perioodilisustabelit). 99,9% aatomi massist langeb tuumale.
Ärge laske end pealkirjast hirmutada. SLAC National Accelerator Laboratory töötajate poolt kogemata loodud must auk osutus vaid ühe aatomi suuruseks, nii et miski meid ei ähvarda. Ja nimetus "must auk" kirjeldab teadlaste täheldatud nähtust vaid ähmaselt. Oleme teile korduvalt rääkinud maailma võimsaimast röntgenlaserist, nn
Tegelikult läks RTCh autor oma "mõtisklustes" nii kaugele, et kutsus esile raskeid vastuargumente, nimelt 4. novembril 2010 teatavaks saanud Jaapani teadlaste vesinikuaatomi pildistamise eksperimendi andmed. Pildil on selgelt näha aatomi kuju, mis kinnitab nii aatomite diskreetsust kui ka ümarust: “Tokyo ülikooli teadlaste ja spetsialistide rühm pildistas esimest korda maailmas üht vesinikuaatomit – kõige kergemat ja väikseimat aatomit. uudisteagentuuridele.
Pilt on tehtud ühe uusima tehnoloogiaga – spetsiaalse skaneeriva elektronmikroskoobiga. Selle seadme abil pildistati koos vesinikuaatomiga üksikut vanaadiumi aatomit.
Vesinikuaatomi läbimõõt on üks kümnemiljardik meetrist. Varem arvati, et seda on tänapäevase tehnikaga peaaegu võimatu pildistada. Vesinik on kõige levinum aine. Selle osa kogu universumis on ligikaudu 90%.
Teadlaste sõnul saab samamoodi kinni püüda ka teisi elementaarosakesi. "Nüüd näeme kõiki aatomeid, millest meie maailm koosneb," ütles professor Yuichi Ikuhara. "See on läbimurre uutele tootmisvormidele, kui tulevikus on võimalik teha otsuseid üksikute aatomite ja molekulide tasandil."
Vesinikuaatom, tavapärased värvid
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Rühm Saksamaa, Kreeka, Hollandi, USA ja Prantsusmaa teadlasi tegi vesinikuaatomist pilte. Need fotoionisatsioonimikroskoobi abil saadud kujutised näitavad elektrontiheduse jaotust, mis langeb täielikult kokku teoreetiliste arvutuste tulemustega. Rahvusvahelise grupi tööd tutvustatakse Physical Review Lettersi lehekülgedel.
Fotoionisatsioonimeetodi olemus seisneb vesinikuaatomite järjestikuses ioniseerimises, see tähendab elektroni eraldumises neist elektromagnetilise kiirguse tõttu. Eraldatud elektronid suunatakse tundlikule maatriksile läbi positiivselt laetud rõnga ning elektroni asend maatriksiga kokkupõrke hetkel peegeldab elektroni asukohta aatomi ioniseerumise hetkel. Laetud rõngas, mis suunab elektronid küljele, toimib läätsena ja selle abil suurendatakse pilti miljoneid kordi.
Seda 2004. aastal kirjeldatud meetodit kasutati juba üksikute molekulide “fotode” tegemiseks, kuid füüsikud läksid kaugemale ja kasutasid vesinikuaatomite uurimiseks fotoionisatsioonimikroskoopi. Kuna ühe elektroni löök annab ainult ühe punkti, kogusid teadlased erinevatest aatomitest umbes 20 tuhat üksikut elektroni ja koostasid elektronkestade keskmise kujutise.
Kvantmehaanika seaduste kohaselt ei ole elektronil aatomis iseenesest mingit kindlat asukohta. Ainult siis, kui aatom interakteerub väliskeskkonnaga, avaldub ühe või teise tõenäosusega elektron aatomituuma teatud läheduses: piirkonda, kus elektroni tuvastamise tõenäosus on maksimaalne, nimetatakse elektronkihiks. Uutel piltidel on näha erinevate energiaseisundite aatomite erinevusi; teadlased suutsid visuaalselt demonstreerida kvantmehaanika ennustatud elektronkestade kuju.
Teiste instrumentide, skaneerivate tunnelmikroskoopide abil saab üksikuid aatomeid mitte ainult näha, vaid ka soovitud asukohta liigutada. Umbes kuu aega tagasi võimaldas see tehnika IBM-i inseneridel joonistada koomiksi, mille iga kaader koosneb aatomitest: sellistel kunstilistel katsetel pole praktilist mõju, kuid see demonstreerib aatomitega manipuleerimise põhimõttelist võimalust. Rakenduslikel eesmärkidel ei kasutata enam aatomikoostu, vaid keemilisi protsesse koos nanostruktuuride iseorganiseerumisega või monoatomiliste kihtide kasvu ise piiramisega substraadil.
Nagu teate, koosneb kõik Universumi materiaalne aatomitest. Aatom on aine väikseim ühik, mis kannab oma omadusi. Aatomi struktuur koosneb omakorda mikroosakeste maagilisest kolmainsusest: prootonitest, neutronitest ja elektronidest.
Lisaks on kõik mikroosakesed universaalsed. See tähendab, et te ei leia maailmast kahte erinevat prootonit, neutronit ega elektroni. Kõik need on üksteisega absoluutselt sarnased. Ja aatomi omadused sõltuvad ainult nende mikroosakeste kvantitatiivsest koostisest aatomi üldises struktuuris.
Näiteks vesinikuaatomi struktuur koosneb ühest prootonist ja ühest elektronist. Järgmine keerukuse poolest koosneb heeliumi aatom kahest prootonist, kahest neutronist ja kahest elektronist. Liitiumi aatom koosneb kolmest prootonist, neljast neutronist ja kolmest elektronist jne.
Aatomi struktuur (vasakult paremale): vesinik, heelium, liitium
Aatomid ühinevad molekulideks ja molekulid aineteks, mineraalideks ja organismideks. DNA molekul, mis on kõigi elusolendite aluseks, on struktuur, mis on kokku pandud samast kolmest universumi maagilisest tellisest nagu teel lebav kivi. Kuigi see struktuur on palju keerulisem.
Veelgi üllatavamad faktid ilmnevad siis, kui püüame aatomisüsteemi proportsioone ja ehitust lähemalt uurida. On teada, et aatom koosneb tuumast ja elektronidest, mis liiguvad selle ümber mööda kera kirjeldavat trajektoori. See tähendab, et seda ei saa isegi nimetada liikumiseks selle sõna tavalises tähenduses. Elektroni leidub pigem kõikjal ja vahetult selles sfääris, luues tuuma ümber elektronipilve ja moodustades elektromagnetvälja.
Aatomi struktuuri skemaatilised kujutised
Aatomi tuum koosneb prootonitest ja neutronitest ning sellesse on koondunud peaaegu kogu süsteemi mass. Kuid samal ajal on tuum ise nii väike, et kui suurendada selle raadiust 1 cm-ni, ulatub kogu aatomistruktuuri raadius sadadesse meetritesse. Seega kõik, mida me tajume tiheda ainena, koosneb enam kui 99% füüsiliste osakeste vahelistest energiaühendustest ja vähem kui 1% füüsilistest vormidest endist.
Aga mis need füüsilised vormid on? Millest need tehtud on ja kui materjalist need on? Nendele küsimustele vastamiseks vaatame lähemalt prootonite, neutronite ja elektronide struktuure. Niisiis, laskume veel ühe sammu mikromaailma sügavustesse – subatomaarsete osakeste tasemele.
Millest elektron koosneb?
Aatomi väikseim osake on elektron. Elektronil on mass, aga ruumala puudub. Teaduslikus vaates ei koosne elektron millestki, vaid on struktuurita punkt.
Elektroni pole mikroskoobi all näha. Seda täheldatakse ainult elektronpilve kujul, mis näeb välja nagu udune kera aatomituuma ümber. Samas on võimatu täpselt öelda, kus elektron hetkel hetkel asub. Seadmed suudavad tabada mitte osakest ennast, vaid ainult selle energiajälgi. Elektroni olemus ei ole mateeria mõistesse sisse lülitatud. Pigem on see nagu mingi tühi vorm, mis eksisteerib ainult liikumises ja liikumise tõttu.
Siiani pole elektronis struktuuri leitud. See on sama punktitaoline osake kui energiakvant. Tegelikult on elektron energia, kuid see on selle stabiilsem vorm kui see, mida kujutavad valguse footonid.
Hetkel loetakse elektroni jagamatuks. See on arusaadav, sest seda, millel puudub maht, on võimatu jagada. Kuid teoreetiliselt on juba arenguid, mille kohaselt elektroni koostis sisaldab selliste kvaasiosakeste kolmikut nagu:
- Orbiton - sisaldab teavet elektroni orbiidi asukoha kohta;
- Spinon vastutab pöörlemise või pöördemomendi eest;
- Holon – kannab infot elektroni laengu kohta.
Kuid nagu näeme, ei ole kvaasiosakestel ainega enam midagi ühist ja nad kannavad ainult ühte teavet.
Erinevate ainete aatomite fotod elektronmikroskoobis
Huvitav on see, et elektron võib neelata energiakvante, näiteks valgust või soojust. Sel juhul liigub aatom uuele energiatasemele ja elektronpilve piirid laienevad. Juhtub ka seda, et elektroni neeldunud energia on nii suur, et ta suudab aatomisüsteemist välja hüpata ja seejärel iseseisva osakesena oma liikumist jätkata. Samal ajal käitub see nagu valguse footon, see tähendab, et ta lakkab olemast osake ja hakkab manifesteerima laine omadusi. See on eksperimentaalselt tõestatud.
Jungi eksperiment
Katse käigus suunati elektronide voog ekraanile, kuhu oli lõigatud kaks pilu. Neid pilusid läbides põrkasid elektronid kokku teise – projektsioon – ekraani pinnaga, jättes sellele oma jälje. Selle elektronidega "pommitamise" tulemusena ilmus projektsiooniekraanile interferentsmuster, mis sarnaneb sellega, mis ilmneks siis, kui lained, kuid mitte osakesed, läbiksid kahte pilu.
Selline muster tuleneb asjaolust, et kahe pilu vahelt läbiv laine jaguneb kaheks laineks. Edasise liikumise tulemusena kattuvad lained üksteisega ja mõnel pool toimub nende vastastikune sumbumine. Selle tulemusena saame projektsiooniekraanile ühe triibu asemel palju, nagu oleks siis, kui elektron käituks osakesena.
Aatomi tuuma struktuur: prootonid ja neutronid
Prootonid ja neutronid moodustavad aatomi tuuma. Ja hoolimata asjaolust, et südamik hõivab vähem kui 1% kogumahust, on sellesse struktuuri koondunud peaaegu kogu süsteemi mass. Kuid prootonite ja neutronite ehituse arvelt jagus füüsikute arvamusi ja hetkel on kaks teooriat korraga.
- Teooria nr 1 – standard
Standardmudel ütleb, et prootonid ja neutronid koosnevad kolmest kvargist, mis on ühendatud gluoonide pilvega. Kvargid on punktosakesed, nagu ka kvantid ja elektronid. Ja gluoonid on virtuaalsed osakesed, mis tagavad kvarkide vastasmõju. Siiski pole loodusest leitud ei kvarke ega gluoone, seetõttu saab seda mudelit karmilt kritiseerida.
- 2. teooria – alternatiiv
Kuid Einsteini välja töötatud alternatiivse ühtse välja teooria kohaselt on prooton, nagu neutron, nagu iga teinegi füüsilise maailma osake, valguse kiirusel pöörlev elektromagnetväli.
Inimese ja planeedi elektromagnetväljad
Millised on aatomi ehituse põhimõtted?
Kõik maailmas – õhuke ja tihe, vedel, tahke ja gaasiline – on vaid lugematute Universumi ruumi läbivate väljade energiaseisundid. Mida kõrgem on energiatase väljas, seda hõredam ja vähem tajutav see on. Mida madalam on energiatase, seda stabiilsem ja käegakatsutavam see on. Aatomi struktuuris, nagu ka iga teise Universumi üksuse struktuuris, peitub selliste – energiatiheduse poolest erineva – väljade koostoime. Selgub, et mateeria on vaid mõistuse illusioon.
Ameerika Ühendriikide füüsikutel õnnestus üksikud aatomid rekordilise eraldusvõimega fotole jäädvustada, vahendab Day.Az viitega Vesti.rule.
Ameerika Ühendriikide Cornelli ülikooli teadlastel õnnestus üksikud aatomid fotole jäädvustada rekordilise eraldusvõimega – alla poole angströmi (0,39 Å). Varasematel fotodel oli kaks korda madalam eraldusvõime – 0,98 Å.
Võimsad elektronmikroskoobid, mis näevad aatomeid, on kasutusel olnud pool sajandit, kuid nende eraldusvõimet piirab nähtava valguse lainepikkus, mis on suurem kui aatomi keskmine läbimõõt.
Seetõttu kasutavad teadlased elektronmikroskoopides omamoodi läätsede analoogi, mis fokusseerivad ja suurendavad pilti – need on magnetväli. Magnetvälja kõikumine aga moonutab tulemust. Moonutuste eemaldamiseks kasutatakse täiendavaid seadmeid, mis korrigeerivad magnetvälja, kuid samal ajal suurendavad elektronmikroskoobi disaini keerukust.
Varem töötasid Cornelli ülikooli füüsikud välja EMPAD (Electron Microscope Pixel Array Detector) seadme, mis asendab sissetulevaid elektrone fokuseerivate generaatorite keeruka süsteemi ühe väikese maatriksiga, mille eraldusvõime on 128x128 pikslit ja mis on tundlik üksikute elektronide suhtes. Iga piksel salvestab elektroni peegeldusnurga; seda teades rekonstrueerivad teadlased ptykograafia tehnikat kasutades elektronide omadused, sealhulgas selle punkti koordinaadid, kust need vabanesid.
Aatomid kõrgeima eraldusvõimega
David A. Muller et al. Loodus, 2018.
2018. aasta suvel otsustasid füüsikud parandada saadud piltide kvaliteeti seni rekordilise eraldusvõimeni. Teadlased kinnitasid 2D materjali, molübdeensulfiidi MoS2 lehe liikuva kiire külge ja vabastasid elektronkiired, pöörates kiirt elektroniallika suhtes erinevate nurkade all. EMPADi ja ptükograafia abil määrasid teadlased üksikute molübdeeniaatomite vahelised kaugused ja said kujutise rekordilise eraldusvõimega 0,39 Å.
"Tegelikult oleme loonud maailma väikseima joone," selgitab Sol Gruner, üks katse autoreid. Saadud pildil oli võimalik eristada väävliaatomeid rekordilise eraldusvõimega 0, 39 Å. Veelgi enam, oli isegi võimalik tuvastada koht, kus üks selline aatom puudub (näidatud noolega).
Väävliaatomid rekorderaldusvõimega