Trurl alkoi vangita atomeja, raaputtaa niistä elektroneja, vaivata protoneja niin, että vain sormet välkkyivät, valmisti protonitaikinan, laittoi sen ympärille elektroneja ja - seuraavalle atomille; ei ollut kulunut edes viittä minuuttia, ennen kuin hän piti käsissään puhdasta kultaharkkoa: hän ojensi sen kuonolleen, hän maisteli palaa hampaassa ja nyökkäsi päätään, sanoi:
- Ja todellakin kultaa, vain minä en voi jahtaa atomeja tuolla tavalla. Olen liian iso.
- Ei mitään, annamme sinulle erikoislaitteen! Trurl suostutteli hänet.
Stanislav Lem, "Cyberiada"
Onko mahdollista mikroskoopilla nähdä atomi, erottaa se toisesta atomista, jäljittää kemiallisen sidoksen tuhoutumista tai muodostumista ja nähdä, kuinka yksi molekyyli muuttuu toiseksi? Kyllä, jos se ei ole yksinkertainen mikroskooppi, vaan atomivoimainen mikroskooppi. Tai et ehkä rajoitu havainnointiin. Elämme aikaa, jolloin atomivoimamikroskooppi ei ole enää vain ikkuna mikrokosmukseen. Nykyään tällä laitteella voidaan siirtää atomeja, katkaista kemiallisia sidoksia, tutkia yksittäisten molekyylien vetorajaa - ja jopa tutkia ihmisen genomia.
Xenon pikselien kirjaimet
Atomien katsominen ei ole aina ollut helppoa. Atomivoimamikroskoopin historia alkoi vuonna 1979, kun Gerd Karl Binnig ja Heinrich Rohrer, jotka työskentelivät IBM:n tutkimuskeskuksessa Zürichissä, alkoivat luoda instrumenttia, joka mahdollistaisi pintojen tutkimisen atomiresoluutiolla. Tällaisen laitteen keksimiseksi tutkijat päättivät käyttää tunneliliitosvaikutusta - elektronien kykyä voittaa näennäisesti ylitsepääsemättömät esteet. Ajatuksena oli määrittää atomien sijainti näytteessä mittaamalla skannaussondin ja tutkittavan pinnan välillä esiintyvän tunnelointivirran voimakkuus.
Binnig ja Rohrer onnistuivat, ja he jäivät historiaan pyyhkäisytunnelimikroskoopin (STM) keksijöinä, ja vuonna 1986 he saivat Nobelin fysiikan palkinnon. Pyyhkäisytunnelimikroskooppi on mullistanut fysiikan ja kemian.
Vuonna 1990 Kaliforniassa IBM:n tutkimuskeskuksessa työskennelleet Don Eigler ja Erhard Schweizer osoittivat, että STM:ää voidaan käyttää paitsi atomien tarkkailuun myös niiden manipulointiin. Pyyhkäisevää tunnelointimikroskooppia käyttämällä he loivat kiistatta suosituimman kuvan kemistien siirtymisestä yksittäisten atomien kanssa työskentelemiseen – he maalasivat kolme kirjainta, joissa oli 35 ksenonatomia nikkelipinnalle (kuva 1).
Binnig ei jäänyt lepäämään laakereillaan - Nobel-palkinnon vuonna hän aloitti yhdessä Christopher Gerberin ja Calvin Quaitin kanssa, jotka työskentelivät myös IBM Zürichin tutkimuskeskuksessa, työskennellä toisella mikrokosmoksen tutkimiseen tarkoitetulla laitteella, jossa ei ollut puutteita. STM:lle ominaista. Tosiasia on, että pyyhkäisytunnelointimikroskoopin avulla oli mahdotonta tutkia dielektrisiä pintoja, vaan vain johtimia ja puolijohteita, ja jälkimmäisten analysoimiseksi piti luoda merkittävä harvinaisuus niiden ja mikroskoopin anturin välille. Ymmärtäessään, että uuden laitteen luominen oli helpompaa kuin vanhan päivittäminen, Binnig, Gerber ja Quait keksivät atomivoimamikroskoopin eli AFM:n. Sen toimintaperiaate on pohjimmiltaan erilainen: pinnasta tiedon saamiseksi ei mitata mikroskoopin anturin ja tutkittavan näytteen välillä syntyvää virtaa, vaan niiden välillä syntyvien vetovoimien arvoa eli heikkoja. ei-kemialliset vuorovaikutukset - van der Waalsin voimat.
AFM:n ensimmäinen toimiva malli oli suhteellisen yksinkertainen. Tutkijat siirsivät joustavaan mikromekaaniseen anturiin yhdistettyä timanttilaetinta - kultakalvosta valmistettua uloketta näytteen pinnan päälle (koettimen ja atomin väliin syntyy vetovoima, uloke taipuu vetovoimasta riippuen ja muuttaa pietsosähköistä muotoa) . Ulokkeen taivutusaste määritettiin pietsosähköisillä antureilla - samalla tavalla vinyylilevyn urat ja harjanteet muunnetaan äänitallenteeksi. Atomivoimamikroskoopin suunnittelun ansiosta se pystyi havaitsemaan vetovoimat jopa 10–18 Newtonia. Vuosi toimivan prototyypin luomisen jälkeen tutkijat onnistuivat saamaan kuvan grafiittipinnan kohokuviosta 2,5 angströmin resoluutiolla.
Siitä kuluneiden kolmen vuosikymmenen aikana AFM:llä on tutkittu melkein mitä tahansa kemiallista esinettä - keraamisen materiaalin pinnasta eläviin soluihin ja yksittäisiin molekyyleihin, sekä staattisessa että dynaamisessa tilassa. Atomivoimamikroskopiasta on tullut kemistien ja materiaalitieteilijöiden työhevonen, ja tätä menetelmää soveltavien töiden määrä kasvaa jatkuvasti (kuva 2).
Vuosien varrella tutkijat ovat löytäneet olosuhteet sekä kontakti- että kosketuksettomille esineiden tutkimukselle atomivoimamikroskoopilla. Kosketusmenetelmä on kuvattu yllä ja se perustuu van der Waalsin vuorovaikutukseen ulokkeen ja pinnan välillä. Kosketuksettomassa tilassa toimiessaan pietsosävyttäjä herättää anturin värähtelyjä tietyllä taajuudella (useimmiten resonoivalla). Pinnasta vaikuttava voima muuttaa sekä anturin amplitudia että vaihetta. Huolimatta kosketuksettoman menetelmän joistakin haitoista (ensinkin herkkyys ulkoiselle melulle), juuri tämä menetelmä sulkee pois anturin vaikutuksen tutkittavaan kohteeseen, mikä tarkoittaa, että se on kiinnostavampi kemisteille.
Elossa luotain, jahtaavat yhteyksiä
Kosketuksettomasta atomivoimamikroskopiasta tuli vuonna 1998 Binnigin oppilaan Franz Josef Gissiblen työn ansiosta. Hän ehdotti vakaan taajuuden kvartsireferenssioskillaattorin käyttöä ulokkeena. 11 vuotta myöhemmin Zürichin IBM-laboratorion tutkijat tekivät toisen muunnoksen kosketuksettomaan AFM:ään: anturi-anturin roolia ei toiminut terävä timanttikide, vaan yksi molekyyli - hiilimonoksidi. Tämä mahdollisti siirtymisen subatomiseen resoluutioon, kuten Leo Gross IBM:n Zürich-divisioonasta osoitti. Vuonna 2009 hän teki AFM:n avulla näkyviksi ei enää atomeja, vaan kemiallisia sidoksia saatuaan melko selkeän ja yksiselitteisesti luettavan "kuvan" pentaseenimolekyylille (kuva 3; Tiede, 2009, 325, 5944, 1110-1114, doi: 10.1126 / science.1176210).
Leo Gross oli vakuuttunut siitä, että AFM näki kemiallisen sidoksen, ja päätti mennä pidemmälle ja käyttää atomivoimamikroskooppia sidosten pituuksien ja järjestysten mittaamiseen – keskeisiä parametreja kemiallisen rakenteen ja siten aineiden ominaisuuksien ymmärtämiseen.
Muista, että ero sidosjärjestyksissä osoittaa erilaisia elektronitiheyden arvoja ja erilaisia atomien välisiä etäisyyksiä kahden atomin välillä (yksinkertaisemmin kaksoissidos on lyhyempi kuin yksittäinen). Etaanissa hiili-hiili-sidoksen järjestys on yksi, eteenissä - kaksi ja klassisessa aromaattisessa molekyylissä - bentseenissä - hiili-hiili-sidoksen järjestys on suurempi kuin yksi, mutta pienempi kuin kaksi, ja sen katsotaan olevan yhtä suuri. 1.5 asti.
Sidosjärjestyksen määrittäminen on paljon vaikeampaa, kun siirrytään yksinkertaisista aromaattisista järjestelmistä tasomaisiin tai tilaa vieviin polykondensoituihin rengasjärjestelmiin. Näin ollen sidosten järjestys fullereeneissa, jotka koostuvat kondensoituneista viisi- ja kuusijäsenisistä hiilirenkaista, voi olla mikä tahansa arvo yhdestä kahteen. Sama epävarmuus on teoreettisesti luontainen polysyklisille aromaattisille yhdisteille.
Vuonna 2012 Leo Gross osoitti yhdessä Fabian Monnin kanssa, että atomivoimamikroskoopilla, jossa on kosketukseton metallinen hiilimonoksidilla modifioitu koetin, voidaan mitata eroja atomien varausjakaumassa ja atomien välisissä etäisyyksissä – eli atomien järjestykseen liittyvissä parametreissa. side ( Tiede, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126 / science.1225621).
Tätä varten he tutkivat kahdenlaisia fullereenin kemiallisia sidoksia - hiili-hiilisidosta, joka on yhteinen kahdelle kuusijäseniselle hiiltä sisältävälle C60-fulreenin renkaalle, ja hiili-hiilisidosta, joka on yhteinen viisi- ja kuusijäseniselle. renkaat. Atomivoimamikroskooppi osoitti, että kuusijäsenisten renkaiden kondensoituminen johtaa sidokseen, joka on lyhyempi ja korkeampi kuin syklisten fragmenttien C6 ja C5 kondensaatio. Kemiallisen sitoutumisen ominaisuuksien tutkimus heksabentsokoroneenissa, jossa vielä kuusi C 6 -sykliä on symmetrisesti sijoitettu keskimmäisen C 6 -syklin ympärille, vahvisti kvanttikemiallisen mallinnuksen tulokset, joiden mukaan keskusrenkaan C-C-sidosten järjestys ( kuviossa 4 kirjain i) on oltava suurempi kuin sidokset, jotka yhdistävät tämän renkaan reunasykleihin (kuvassa 4 kirjain j). Samanlaisia tuloksia saatiin monimutkaisemmalla polysyklisellä aromaattisella hiilivedyllä, joka sisälsi yhdeksän kuusijäsenistä rengasta.
Sidosjärjestykset ja atomien väliset etäisyydet tietysti kiinnostavat orgaanisia kemistejä, mutta se oli tärkeämpää niille, jotka olivat mukana kemiallisten sidosten teoriassa, reaktiivisuuden ennustamisessa ja kemiallisten reaktioiden mekanismien tutkimisessa. Siitä huolimatta sekä synteettiset kemistit että luonnonyhdisteiden rakenteen tutkijat olivat yllätyksenä: kävi ilmi, että atomivoimamikroskoopilla voidaan määrittää molekyylien rakenne samalla tavalla kuin NMR- tai IR-spektroskopialla. Lisäksi se tarjoaa yksiselitteisen vastauksen kysymyksiin, joita nämä menetelmät eivät pysty selviytymään.
Valokuvauksesta elokuvaukseen
Vuonna 2010 sama Leo Gross ja Rainer Ebel pystyivät yksiselitteisesti määrittämään luonnollisen yhdisteen - kefalandoli A:n rakenteen, joka on eristetty bakteerista. Dermacoccus abyssi(Luonnon kemia, 2010, 2, 821-825, doi: 10.1038 / nchem.765). Kefalandoli A:n koostumus määritettiin aiemmin massaspektrometrialla, mutta tämän yhdisteen NMR-spektrien analyysi ei antanut yksiselitteistä vastausta kysymykseen sen rakenteesta: neljä varianttia oli mahdollista. Atomivoimamikroskoopilla tutkijat sulkivat heti pois kaksi neljästä rakenteesta ja tekivät oikean valinnan lopuista kahdesta vertaamalla AFM:n ja kvanttikemiallisen mallinnuksen tuloksia. Tehtävä osoittautui vaikeaksi: toisin kuin pentaseeni, fullereeni ja koroneenit, kefalandoli A sisältää paitsi hiili- ja vetyatomeja, lisäksi tällä molekyylillä ei ole symmetriatasoa (kuva 5) - mutta myös tällainen ongelma ratkesi.
Toinen vahvistus sille, että atomivoimamikroskooppia voidaan käyttää analyyttisenä työkaluna, tuli Oskar Kustanzin ryhmältä, joka työskenteli tuolloin Osakan yliopiston tekniikan korkeakoulussa. Hän osoitti kuinka käyttää AFM:ää erottamaan atomit, jotka eroavat toisistaan paljon vähemmän kuin hiili ja vety ( Luonto, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038 / nature05530). Kostanz tutki piistä, tinasta ja lyijystä koostuvan seoksen pintaa, jonka kunkin alkuaineen pitoisuus tiedettiin. Lukuisten kokeiden tuloksena hän havaitsi, että AFM-koettimen kärjen ja eri atomien väliin tuleva voima on erilainen (kuva 6). Voimakkain vuorovaikutus havaittiin esimerkiksi piitä tutkittaessa ja heikoin lyijyä tutkittaessa.
Oletetaan, että jatkossa atomivoimamikroskopian tuloksia yksittäisten atomien tunnistamiseksi käsitellään samalla tavalla kuin NMR:n tuloksia - suhteellisten arvojen vertailulla. Koska anturin neulan tarkkaa koostumusta on vaikea hallita, anturin ja eri pintaatomien välisen voiman absoluuttinen arvo riippuu koeolosuhteista ja laitteen merkistä, mutta näiden voimien suhde mihin tahansa koostumukseen ja muotoon. anturi pysyy vakiona jokaiselle kemialliselle alkuaineelle.
Vuonna 2013 ilmestyi ensimmäiset esimerkit AFM:n käytöstä kuvien saamiseksi yksittäisistä molekyyleistä ennen ja jälkeen kemiallisia reaktioita: reaktion tuotteista ja välituotteista luodaan "valokuvasarja", jota voidaan sitten muokata eräänlaisena dokumenttifilmiksi ( Tiede, 2013, 340, 6139, 1434-1437; doi: 10.1126 / science.1238187).
Felix Fischer ja Michael Crommey Kalifornian yliopistosta Berkeleystä levittivät hopeaa pintaan 1,2-bis [(2-etynyylifenyyli)etynyyli]bentseeni, kuvasi molekyylejä ja lämmitti pintaa syklisaation aloittamiseksi. Puolet alkuperäisistä molekyyleistä muuttui polysyklisiksi aromaattisiksi rakenteiksi, jotka koostuivat kondensoidusta viidestä kuusijäsenisestä ja kahdesta viisijäsenisestä renkaasta. Toinen neljäsosa molekyyleistä muodosti rakenteita, jotka koostuivat neljästä kuusijäsenisestä renkaasta, jotka liittyivät yhteen nelijäsenisen syklin kautta ja kahdesta viisijäsenisestä renkaasta (kuvio 7). Loput tuotteista olivat oligomeerisiä rakenteita ja pieninä määrinä polysyklisiä isomeerejä.
Nämä tulokset yllättivät tutkijat kahdesti. Ensinnäkin vain kaksi päätuotetta muodostui reaktion aikana. Toiseksi niiden rakenne oli yllättävä. Fischer huomauttaa, että kemiallinen intuitio ja kokemus antoivat hänelle mahdollisuuden piirtää kymmeniä mahdollisia reaktiotuotteita, mutta mikään niistä ei vastannut pinnalle muodostuneita yhdisteitä. Mahdollisesti epätyypillisten kemiallisten prosessien kulkua helpotti alkuaineiden vuorovaikutus substraatin kanssa.
Luonnollisesti kemiallisten sidosten tutkimuksen ensimmäisten vakavien edistysaskeleiden jälkeen jotkut tutkijat päättivät käyttää AFM:ää havainnoimaan heikompia ja vähemmän tutkittuja molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, erityisesti vetysidoksia. Työ tällä alalla on kuitenkin vasta alussa, ja tulokset ovat ristiriitaisia. Joten joissakin julkaisuissa kerrotaan, että atomivoimamikroskopia mahdollisti vetysidoksen havainnoinnin ( Tiede, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126 / science.1242603), toisissa he väittävät, että nämä ovat vain esineitä laitteen suunnitteluominaisuuksista johtuen, ja kokeelliset tulokset on tulkittava tarkemmin ( Physical Review Letters, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103 / PhysRevLett.113.186102). Ehkä lopullinen vastaus kysymykseen, onko atomivoimamikroskopialla mahdollista havaita vetyä ja muita molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, saadaan jo tällä vuosikymmenellä. Tätä varten on tarpeen kasvattaa AFM-resoluutiota vähintään useita kertoja ja oppia saamaan kuvia ilman häiriöitä ( Fyysinen arvostelu B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103 / PhysRevB.90.085421).
Yhden molekyylin synteesi
Taitavissa käsissä sekä STM että AFM muuttuvat ainetta tutkivista laitteista laitteiksi, jotka pystyvät muuttamaan suuntaisesti aineen rakennetta. Näiden laitteiden avulla on jo saatu aikaan "pienimpiä kemiallisia laboratorioita", joissa pullon sijasta käytetään substraattia ja reaktanttien moolien tai millimoolien sijaan yksittäisiä molekyylejä.
Esimerkiksi vuonna 2016 Takashi Kumagain johtama kansainvälinen tutkijaryhmä käytti kosketuksetonta atomivoimamikroskopiaa porfyseenimolekyylin siirtämiseen muodosta toiseen ( Luonnon kemia, 2016, 8, 935-940, doi: 10.1038 / nchem.2552). Porfyseeniä voidaan pitää porfyriinin muunnelmana, jonka sisäinen kierto sisältää neljä typpiatomia ja kaksi vetyatomia. AFM-anturin värähtelyt siirsivät tarpeeksi energiaa porfyseenimolekyyliin siirtääkseen nämä vedyt typpiatomista toiseen, ja tuloksena oli tämän molekyylin "peilikuva" (kuvio 8).
Väsymättömän Leo Grossin johtama ryhmä osoitti myös, että oli mahdollista käynnistää yhden molekyylin reaktio - he muuttivat dibromantraseenin kymmenen jäseniseksi sykliseksi diyyniksi (kuva 9; Luonnon kemia, 2015, 7, 623-628, doi: 10.1038 / nchem.2300). Toisin kuin Kumagai et al, he käyttivät pyyhkäisytunnelimikroskooppia molekyylin aktivoimiseen, ja reaktion tulosta seurattiin atomivoimamikroskoopilla.
Pyyhkäisytunnelimikroskoopin ja atomivoimamikroskoopin yhdistetty käyttö mahdollisti jopa sellaisen molekyylin saamisen, jota ei voida syntetisoida klassisilla tekniikoilla ja menetelmillä ( Luonnon nanoteknologia, 2017, 12, 308-311, doi: 10.1038 / nnano.2016.305). Tämä on kolmio, epästabiili aromaattinen biradikaali, jonka olemassaolo ennustettiin kuusi vuosikymmentä sitten, mutta kaikki synteesiyritykset epäonnistuivat (kuva 10). Niko Pavlicekin ryhmän kemistit saivat halutun yhdisteen poistamalla kaksi vetyatomia sen esiasteesta STM:n avulla ja vahvistamalla synteettisen tuloksen AFM:llä.
Orgaanisen kemian atomivoimamikroskopian käyttöön omistettujen töiden määrän oletetaan jatkavan kasvuaan. Tällä hetkellä yhä useammat tutkijat yrittävät toistaa pinnalla reaktioita, jotka ovat hyvin tunnettuja "liuoskemiasta". Mutta kenties synteettiset kemistit alkavat toistaa liuoksessa reaktioita, jotka alun perin suoritettiin pinnalla AFM:n avulla.
Elottomasta elävään
Atomivoimamikroskooppien ulokkeita ja antureita voidaan käyttää paitsi analyyttiseen tutkimukseen tai eksoottisten molekyylien synteesiin, myös sovellusten ongelmien ratkaisemiseen. AFM:n käytöstä lääketieteessä on jo tunnettuja tapauksia esimerkiksi syövän varhaiseen diagnosointiin, ja tässä edelläkävijä on sama Christopher Gerber, jolla oli käsi atomivoimamikroskopian periaatteen kehittämisessä ja luomisessa. AFM:stä.
Joten Gerber pystyi opettamaan AFM:n määrittämään ribonukleiinihapon pistemutaation melanoomassa (biopsian tuloksena saadusta materiaalista). Tätä varten atomivoimamikroskoopin kultauloketta modifioitiin oligonukleotideillä, jotka voivat päästä molekyylien väliseen vuorovaikutukseen RNA:n kanssa ja tämän vuorovaikutuksen voimakkuutta voidaan edelleen mitata pietsosähköisen vaikutuksen ansiosta. AFM-anturin herkkyys on niin suuri, että sen avulla yritetään jo tutkia suositun CRISPR-Cas9 genominmuokkausmenetelmän tehokkuutta. Se kokoaa yhteen eri sukupolvien tutkijoiden luomia teknologioita.
Yhden poliittisen teorian klassikkoa mukaillen voimme sanoa, että näemme jo atomivoimamikroskoopin loputtomat mahdollisuudet ja ehtymättömyyden ja tuskin pystymme kuvittelemaan, mikä meitä odottaa näiden teknologioiden jatkokehityksen yhteydessä. Mutta jo nykyään pyyhkäisytunnelimikroskoopilla ja atomivoimamikroskoopilla voimme nähdä ja koskettaa atomeja. Voimme sanoa, että tämä ei ole vain silmämme jatke, jonka avulla voimme katsoa atomien ja molekyylien mikrokosmoseen, vaan myös uusia silmiä, uusia sormia, jotka voivat koskettaa ja hallita tätä mikrokosmosta.
Atomi (kreikan sanasta "jakamaton") on kerran mikroskooppisen kokoinen aineen pienin hiukkanen, kemiallisen alkuaineen pienin osa, joka kantaa sen ominaisuuksia. Atomin ainesosilla - protoneilla, neutroneilla, elektroneilla - ei enää ole näitä ominaisuuksia ja ne muodostavat ne yhdessä. Kovalenttiset atomit muodostavat molekyylejä. Tiedemiehet tutkivat atomin ominaisuuksia, ja vaikka ne ovat jo melko hyvin tutkittuja, he eivät menetä mahdollisuutta löytää jotain uutta - erityisesti uusien materiaalien ja uusien atomien luomisen alalla (jatkoa jaksollista järjestelmää). 99,9 % atomin massasta putoaa ytimeen.
Älä pelkää otsikkoa. SLAC National Accelerator Laboratoryn henkilökunnan vahingossa luoma musta aukko osoittautui vain yhden atomin kokoiseksi, joten mikään ei uhkaa meitä. Ja nimi "musta aukko" kuvaa vain epämääräisesti tutkijoiden havaitsemaa ilmiötä. Olemme toistuvasti kertoneet sinulle maailman tehokkaimmasta röntgenlaserista, ns
Itse asiassa RTC:n kirjoittaja "heijastuksissaan" on mennyt niin pitkälle, että se herätti raskaita vasta-argumentteja, nimittäin japanilaisten tutkijoiden vetyatomin valokuvaamista koskevan kokeen tiedot, jotka tulivat tunnetuksi 4.11.2010. Kuvassa näkyy selvästi atomin muoto, mikä vahvistaa sekä atomien diskreettisyyden että pyöreyden: "Tokion yliopiston tutkijoiden ja asiantuntijoiden ryhmä valokuvasi ensimmäistä kertaa maailmassa yhden vetyatomin - kevyimmän ja pienimmän kaikista atomeista, uutisia virastot raportoivat.
Kuva on otettu yhdellä uusimmista tekniikoista - erityisellä pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. Tämän laitteen avulla yhdessä vetyatomin kanssa kuvattiin yksi vanadiiniatomi.
Vetyatomin halkaisija on yksi kymmenen miljardia metriä. Aikaisemmin uskottiin, että sen kuvaaminen nykyaikaisilla laitteilla oli lähes mahdotonta. Vety on runsain aine. Sen osuus koko maailmankaikkeudesta on noin 90 %.
Tiedemiesten mukaan muita alkuainehiukkasia voidaan siepata samalla tavalla. "Nyt voimme nähdä kaikki atomit, joista maailmamme muodostuu", sanoi professori Yuichi Ikuhara. "Tämä on läpimurto uusiin tuotantomuotoihin, kun tulevaisuudessa on mahdollista tehdä päätöksiä yksittäisten atomien ja molekyylien tasolla."
Vetyatomi, perinteiset värit
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Ryhmä tutkijoita Saksasta, Kreikasta, Alankomaista, Yhdysvalloista ja Ranskasta otti kuvia vetyatomista. Nämä fotoionisaatiomikroskoopilla saadut kuvat näyttävät elektronitiheysjakauman, joka on täysin yhteneväinen teoreettisten laskelmien tulosten kanssa. Kansainvälisen ryhmän työtä esitellään Physical Review Lettersin sivuilla.
Fotoionisaatiomenetelmän ydin koostuu vetyatomien peräkkäisestä ionisaatiosta, eli elektronin irtautumisesta niistä sähkömagneettisen säteilyn vuoksi. Erotetut elektronit ohjataan herkkään matriisiin positiivisesti varautuneen renkaan kautta, ja elektronin sijainti törmäyshetkellä matriisiin heijastaa elektronin paikkaa atomin ionisaatiohetkellä. Varautunut rengas, joka kääntää elektroneja sivulle, toimii linssinä ja sen avulla kuva suurennetaan miljoonia kertoja.
Tällä vuonna 2004 kuvatulla menetelmällä otettiin jo "valokuvia" yksittäisistä molekyyleistä, mutta fyysikot menivät pidemmälle ja käyttivät fotoionisaatiomikroskooppia vetyatomien tutkimiseen. Koska yhden elektronin isku antaa vain yhden pisteen, tutkijat keräsivät noin 20 tuhatta yksittäistä elektronia eri atomeista ja laativat keskimääräisen kuvan elektronikuorista.
Kvanttimekaniikan lakien mukaan elektronilla ei ole atomissa itsessään mitään tiettyä paikkaa. Vain kun atomi on vuorovaikutuksessa ulkoisen ympäristön kanssa, elektroni ilmenee jollain todennäköisyydellä atomiytimen tietyssä läheisyydessä: aluetta, jossa elektronin havaitsemisen todennäköisyys on suurin, kutsutaan elektronikuoreksi. Uudet kuvat näyttävät erot eri energiatilojen atomien välillä; tutkijat pystyivät visuaalisesti osoittamaan kvanttimekaniikan ennustaman elektronikuoren muodon.
Muilla instrumenteilla, skannaavilla tunnelimikroskoopeilla, yksittäiset atomit voidaan paitsi nähdä, myös siirtää haluttuun paikkaan. Noin kuukausi sitten tällä tekniikalla IBM:n insinöörit pystyivät piirtämään sarjakuvan, jonka jokainen kehys koostuu atomeista: sellaisilla taiteellisilla kokeilla ei ole käytännön vaikutusta, mutta ne osoittavat atomien manipuloinnin perustavanlaatuisen mahdollisuuden. Sovellettavissa tarkoituksiin ei enää käytetä atomikokoonpanoa, vaan kemiallisia prosesseja, joissa nanorakenteita organisoidaan itse tai rajoitetaan monoatomisten kerrosten kasvua substraatilla.
Kuten tiedät, kaikki maailmankaikkeuden materiaali koostuu atomeista. Atomi on pienin aineen yksikkö, joka kantaa sen ominaisuuksia. Atomin rakenne puolestaan koostuu mikrohiukkasten maagisesta kolminaisuudesta: protoneista, neutroneista ja elektroneista.
Lisäksi jokainen mikrohiukkasista on universaali. Eli maailmasta ei löydy kahta erilaista protonia, neutronia tai elektronia. Ne ovat kaikki täysin samanlaisia. Ja atomin ominaisuudet riippuvat vain näiden mikrohiukkasten kvantitatiivisesta koostumuksesta atomin yleisessä rakenteessa.
Esimerkiksi vetyatomin rakenne koostuu yhdestä protonista ja yhdestä elektronista. Seuraavaksi monimutkaisuudessa heliumatomi koostuu kahdesta protonista, kahdesta neutronista ja kahdesta elektronista. Litiumatomi koostuu kolmesta protonista, neljästä neutronista ja kolmesta elektronista jne.
Atomirakenne (vasemmalta oikealle): vety, helium, litium
Atomit yhdistyvät molekyyleiksi ja molekyylit - aineiksi, mineraaleiksi ja organismeiksi. DNA-molekyyli, joka on kaiken elävän perusta, on rakenne, joka on koottu samoista kolmesta maailmankaikkeuden maagisesta tiilestä kuin tiellä makaava kivi. Vaikka tämä rakenne on paljon monimutkaisempi.
Vieläkin yllättävämpiä faktoja paljastuu, kun yritämme tarkastella lähemmin atomijärjestelmän mittasuhteita ja rakennetta. Tiedetään, että atomi koostuu ytimestä ja sen ympärillä liikkuvista elektroneista palloa kuvaavaa liikerataa pitkin. Eli sitä ei voi edes kutsua liikkeeksi sanan tavallisessa merkityksessä. Elektroni löytyy pikemminkin kaikkialta ja välittömästi tämän pallon sisällä muodostaen elektronipilven ytimen ympärille ja muodostaen sähkömagneettisen kentän.
Kaavioesitys atomin rakenteesta
Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista, ja siihen on keskittynyt lähes koko järjestelmän massa. Mutta samaan aikaan itse ydin on niin pieni, että jos lisäät sen säteen asteikolla 1 cm, koko atomirakenteen säde saavuttaa satoja metrejä. Siten kaikki, mitä näemme tiheänä aineena, koostuu yli 99 % fysikaalisten hiukkasten välisistä energiayhteyksistä ja alle 1 % itse fyysisistä muodoista.
Mutta mitä nämä fyysiset muodot ovat? Mistä ne on tehty ja kuinka materiaalia ne ovat? Vastataksemme näihin kysymyksiin, katsotaanpa tarkemmin protonien, neutronien ja elektronien rakenteita. Joten laskeudumme vielä yhden askeleen mikromaailman syvyyksiin - subatomisten hiukkasten tasolle.
Mistä elektroni koostuu?
Atomin pienin hiukkanen on elektroni. Elektronilla on massa, mutta sillä ei ole tilavuutta. Tieteellisen näkemyksen mukaan elektroni ei koostu mistään, vaan on rakenteeton piste.
Elektronia ei voi nähdä mikroskoopilla. Se havaitaan vain elektronipilven muodossa, joka näyttää epäselvältä pallolta atomiytimen ympärillä. Samanaikaisesti on mahdotonta sanoa tarkasti, missä elektroni on tällä hetkellä. Laitteet eivät pysty sieppaamaan itse hiukkasta, vaan vain sen energiajäljen. Elektronin olemus ei ole upotettu aineen käsitteeseen. Pikemminkin se on eräänlainen tyhjä muoto, joka on olemassa vain liikkeessä ja liikkeestä johtuen.
Toistaiseksi elektronista ei ole löydetty rakennetta. Se on sama pistemäinen hiukkanen kuin energiakvantti. Itse asiassa elektroni on energiaa, mutta se on sen vakaampi muoto kuin se, jota valon fotonit edustavat.
Tällä hetkellä elektronia pidetään jakamattomana. Tämä on ymmärrettävää, koska on mahdotonta jakaa sitä, jolla ei ole tilavuutta. Teoriassa on kuitenkin jo kehitystä, jonka mukaan elektronin koostumus sisältää sellaisten kvasihiukkasten kolminaisuuden:
- Orbiton - sisältää tietoa elektronin kiertoradan sijainnista;
- Spinon on vastuussa pyörimisestä tai vääntömomentista;
- Holon - kuljettaa tietoa elektronin varauksesta.
Kuten näemme, kvasihiukkasilla aineen kanssa ei kuitenkaan ole enää mitään yhteistä, ja ne kuljettavat vain yhtä tietoa.
Valokuvia eri aineiden atomeista elektronimikroskoopissa
Mielenkiintoista on, että elektroni voi absorboida energian kvantteja, kuten valoa tai lämpöä. Tässä tapauksessa atomi siirtyy uudelle energiatasolle ja elektronipilven rajat laajenevat. Sattuu myös niin, että elektronin absorboima energia on niin suuri, että se voi hypätä ulos atomijärjestelmästä ja jatkaa sitten liikettään itsenäisenä hiukkasena. Samalla se käyttäytyy kuin valon fotoni, eli se näyttää lakkaavan olemasta hiukkanen ja alkaa ilmentää aallon ominaisuuksia. Tämä on todistettu kokeellisesti.
Jungin kokeilu
Kokeen aikana elektronivirta ohjattiin näytölle, jonka läpi leikattiin kaksi rakoa. Kulkiessaan näiden rakojen läpi elektronit törmäsivät toisen - projektio - näytön pintaan jättäen jälkensä siihen. Tämän elektronien "pommituksen" seurauksena projektionäytölle ilmestyi interferenssikuvio, joka on samanlainen kuin jos aallot, mutta eivät hiukkaset, kulkisivat kahden raon läpi.
Tällainen kuvio syntyy siitä tosiasiasta, että kahden raon välillä kulkeva aalto on jaettu kahteen aaltoon. Lisäliikkeen seurauksena aallot menevät päällekkäin ja joillain alueilla tapahtuu niiden keskinäistä vaimennusta. Tuloksena saamme projektiokankaalle monia raitoja yhden sijasta, kuten se olisi, jos elektroni käyttäytyisi hiukkasen tavoin.
Atomin ytimen rakenne: protonit ja neutronit
Protonit ja neutronit muodostavat atomin ytimen. Ja huolimatta siitä, että ydin vie alle 1% kokonaistilavuudesta, juuri tähän rakenteeseen keskittyy melkein koko järjestelmän massa. Mutta protonien ja neutronien rakenteen kustannuksella fyysikot jaettiin, ja tällä hetkellä on olemassa kaksi teoriaa kerralla.
- Teoria # 1 - standardi
Standardimalli sanoo, että protonit ja neutronit koostuvat kolmesta kvarkista, joita yhdistää gluonipilvi. Kvarkit ovat pistehiukkasia, kuten kvantit ja elektronit. Ja gluonit ovat virtuaalisia hiukkasia, jotka varmistavat kvarkkien vuorovaikutuksen. Luonnosta ei kuitenkaan ole löydetty kvarkeja eikä gluoneja, joten tämä malli on ankara kritiikki.
- Teoria # 2 - Vaihtoehto
Mutta Einsteinin kehittämän vaihtoehtoisen yhtenäisen kentän teorian mukaan protoni, kuten neutroni, kuten mikä tahansa muu fyysisen maailman hiukkanen, on sähkömagneettinen kenttä, joka pyörii valon nopeudella.
Ihmisen ja planeetan sähkömagneettiset kentät
Mitkä ovat atomin rakenteen periaatteet?
Kaikki maailmassa - ohut ja tiheä, nestemäinen, kiinteä ja kaasumainen - on vain lukemattomien kenttien energiatiloja, jotka läpäisevät universumin avaruuden. Mitä korkeampi energiataso kentällä on, sitä ohuempaa ja vähemmän havaittavissa se on. Mitä matalampi energiataso, sitä vakaampi ja konkreettisempi se on. Atomin rakenteessa, kuten minkä tahansa muun universumin yksikön rakenteessa, on tällaisten kenttien vuorovaikutus - erilaiset energiatiheydellä. Osoittautuu, että aine on vain mielen illuusio.
Yhdysvaltalaiset fyysikot onnistuivat valokuvaamaan yksittäisiä atomeja ennätysresoluutiolla, Day.Az raportoi Vesti.ru:hun viitaten.
Yhdysvaltalaisen Cornellin yliopiston tutkijat onnistuivat vangitsemaan yksittäisiä atomeja valokuvaan ennätysresoluutiolla - alle puolen angströmin (0,39 Å). Aiempien valokuvien resoluutio oli kaksi kertaa pienempi - 0,98 Å.
Tehokkaita atomeja näkeviä elektronimikroskooppeja on ollut olemassa puoli vuosisataa, mutta niiden resoluutiota rajoittaa näkyvän valon aallonpituus, joka on suurempi kuin atomin keskimääräinen halkaisija.
Siksi tutkijat käyttävät eräänlaista linssien analogia, jotka tarkentavat ja suurentavat kuvaa elektronimikroskopeissa - ne ovat magneettikenttä. Kuitenkin magneettikentän vaihtelut vääristävät tulosta. Vääristymien poistamiseksi käytetään lisälaitteita, jotka korjaavat magneettikenttää, mutta lisäävät samalla elektronimikroskoopin suunnittelun monimutkaisuutta.
Aiemmin Cornellin yliopiston fyysikot kehittivät Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD) -laitteen, joka korvasi monimutkaisen generaattorijärjestelmän, joka fokusoi saapuvat elektronit yhdellä pienellä matriisilla, jonka resoluutio on 128 x 128 pikseliä ja joka on herkkä yksittäisille elektroneille. Jokainen pikseli tallentaa elektronin heijastuskulman; Tietäen sen, tutkijat rekonstruoivat ptykografisen tekniikan avulla elektronien ominaisuudet, mukaan lukien sen pisteen koordinaatit, josta se vapautui.
Atomit korkeimmalla resoluutiolla
David A. Muller et ai. Luonto, 2018.
Kesällä 2018 fyysikot päättivät parantaa saatujen kuvien laatua toistaiseksi ennätysresoluutioon. Tiedemiehet kiinnittivät 2D-materiaalilevyn, molybdeenisulfidi MoS2, liikkuvaan säteeseen ja vapauttivat elektronisäteitä kääntäen säteen eri kulmiin elektronilähteeseen nähden. EMPADin ja ptykografian avulla tutkijat määrittelivät yksittäisten molybdeeniatomien väliset etäisyydet ja saivat kuvan, jonka ennätysresoluutio oli 0,39 Å.
"Itse asiassa olemme luoneet maailman pienimmän linjan", selittää Sol Gruner, yksi kokeilun tekijöistä. Tuloksena olevasta kuvasta oli mahdollista erottaa rikkiatomit ennätysresoluutiolla 0,39 Å. Lisäksi oli jopa mahdollista havaita paikka, josta yksi tällainen atomi puuttuu (merkitty nuolella).
Rikkiatomit ennätysresoluutiolla