Trurl elkezdte felfogni az atomokat, elektronokat kaparni róluk, protonokat gyúrni úgy, hogy csak az ujjak villogtak, protontésztát készített, elektronokat rakott köré és - a következő atomhoz; még öt perc sem telt el, míg egy tiszta aranytömböt tartott a kezében: a szájához nyújtotta, a nő megízlelte a fogon lévő tömböt, és bólintott, és így szólt:
- És valóban arany, csak én nem tudom így üldözni az atomokat. túl nagy vagyok.
- Semmi, adunk egy speciális apparátust! Trurl rábeszélte.
Stanislav Lem, "Cyberiada"
Lehetséges mikroszkóppal látni egy atomot, megkülönböztetni egy másik atomtól, nyomon követni egy kémiai kötés pusztulását vagy kialakulását, és megnézni, hogyan alakul át az egyik molekula a másikba? Igen, ha nem egyszerű mikroszkópról van szó, hanem atomerőműről. Vagy lehet, hogy nem korlátozódik a megfigyelésre. Abban az időben élünk, amikor az atomerőmikroszkóp már nem csupán egy ablak a mikrokozmoszba. Ma már ezzel az eszközzel atomokat mozgathatunk, kémiai kötéseket bonthatunk fel, tanulmányozhatjuk az egyes molekulák szakítószilárdságát – és még az emberi genomot is.
Xenon pixel betűk
Nem mindig volt könnyű az atomokat nézni. Az atomerőmikroszkóp története 1979-ben kezdődött, amikor Gerd Karl Binnig és Heinrich Rohrer a zürichi IBM Kutatóközpontban elkezdtek egy olyan műszert létrehozni, amely lehetővé teszi az atomi felbontású felületek tanulmányozását. Egy ilyen eszköz kidolgozásához a kutatók úgy döntöttek, hogy az alagút junction effektust használják – az elektronok azon képességét, hogy legyőzzék a látszólag áthatolhatatlan akadályokat. Az ötlet az volt, hogy meghatározzák az atomok helyzetét a mintában a pásztázó szonda és a vizsgált felület között fellépő alagútáram erősségének mérésével.
Binnignek és Rohrernek sikerült, és a pásztázó alagútmikroszkóp (STM) feltalálóiként vonultak be a történelembe, és 1986-ban megkapták a fizikai Nobel-díjat. A pásztázó alagútmikroszkóp forradalmasította a fizikát és a kémiát.
1990-ben Don Eigler és Erhard Schweizer, akik a kaliforniai IBM Kutatóközpontban dolgoztak, megmutatták, hogy az STM nemcsak atomok megfigyelésére, hanem manipulálására is használható. Egy pásztázó alagútmikroszkóp szondával létrehozták a kémikusok vitathatatlanul legnépszerűbb képét az egyes atomokkal való munkavégzésről – három betűt festettek 35 xenonatommal egy nikkelfelületre (1. ábra).
Binnig nem nyugodott bele - a Nobel-díj átvételének évében Christopher Gerberrel és Calvin Quaittal, akik szintén az IBM Zürich Kutatóközpontjában dolgoztak, egy másik, hiányosságoktól mentes mikrokozmosz-kutatási eszközön kezdett dolgozni. az STM-ben rejlő. Az tény, hogy pásztázó alagútmikroszkóp segítségével nem lehetett dielektromos felületeket vizsgálni, hanem csak vezetőket és félvezetőket, utóbbiak elemzéséhez pedig jelentős ritkulást kellett létrehozni köztük és a mikroszkóp szonda között. Binnig, Gerber és Quait felismerve, hogy egy új eszköz létrehozása egyszerűbb, mint egy meglévő fejlesztése, feltalálta az atomerőmikroszkópot, vagyis az AFM-et. Működési elve alapvetően eltérő: a felületről való információszerzéshez nem a mikroszkóp szonda és a vizsgált minta között keletkező áramot, hanem a közöttük fellépő vonzóerők értékét mérik, azaz gyenge nem kémiai kölcsönhatások – van der Waals erők.
Az AFM első működő modellje viszonylag egyszerű volt. A kutatók egy gyémánt szondát mozgattak, amely egy rugalmas mikromechanikai érzékelőhöz csatlakozik - egy aranyfóliából készült konzolt a minta felületére (a szonda és az atom között vonzás jön létre, a konzol a vonzási erőtől függően elhajlik és deformálja a piezoelektromos elemet) . A konzolos hajlítás mértékét piezoelektromos szenzorok segítségével határozták meg - hasonló módon egy bakelitlemez barázdáit, bordáit alakítják hangfelvétellé. Az atomerő-mikroszkóp kialakítása lehetővé tette, hogy akár 10-18 Newton vonzerőt is érzékeljen. Egy évvel a működő prototípus elkészítése után a kutatóknak sikerült 2,5 angström felbontású képet készíteniük a grafitfelület domborművéről.
Az azóta eltelt három évtized során az AFM-et gyakorlatilag bármilyen kémiai objektum tanulmányozására alkalmazták – a kerámiaanyag felületétől az élő sejtekig és az egyes molekulákig, statikus és dinamikus állapotban egyaránt. Az atomerőmikroszkópia a kémikusok és az anyagtudósok igáslovasává vált, és folyamatosan növekszik azon munkák száma, amelyekben ezt a módszert alkalmazzák (2. ábra).
Az évek során a kutatók megtalálták a feltételeket mind az érintkezés nélküli, mind az érintkezés nélküli tárgyak atomi erőmikroszkópos vizsgálatához. Az érintkezési módszert fent leírtuk, és a konzol és a felület közötti van der Waals kölcsönhatáson alapul. Érintésmentes üzemmódban a piezo vibrátor bizonyos frekvencián (leggyakrabban rezonáns) gerjeszti a szonda rezgését. A felületről ható erő hatására a szonda amplitúdója és fázisa is megváltozik. Az érintésmentes módszer néhány hátránya ellenére (elsősorban a külső zajra való érzékenység), ez a módszer kizárja a szonda hatását a vizsgált objektumra, ami azt jelenti, hogy érdekesebb a vegyészek számára.
A szondák által élve, kapcsolatok után kutatva
Az érintésmentes atomerőmikroszkópia 1998-ban vált Binnig tanítványa, Franz Josef Gissible munkájának köszönhetően. Ő javasolta egy stabil frekvenciájú kvarc referenciaoszcillátor használatát konzolként. 11 évvel később az IBM zürichi laboratóriumának kutatói újabb módosítást hajtottak végre az érintésmentes AFM-en: a szonda-szenzor szerepét nem egy éles gyémántkristály, hanem egy molekula - a szén-monoxid - játszotta. Ez lehetővé tette a szubatomi felbontásra való átállást, amint azt Leo Gross az IBM zürichi részlegétől bebizonyította. 2009-ben az AFM segítségével már nem atomokat, hanem kémiai kötéseket tett láthatóvá, így a pentacén molekuláról meglehetősen tiszta és egyértelműen olvasható "képet" kapott (3. ábra; Tudomány, 2009, 325, 5944, 1110-1114, doi: 10.1126 / science.1176210).
Leo Gross, aki meg volt győződve arról, hogy az AFM képes kémiai kötést látni, úgy döntött, hogy tovább megy, és atomerőmikroszkópot használ a kötések hosszának és sorrendjének mérésére – ezek a kulcsparaméterek a kémiai szerkezet, és ezáltal az anyagok tulajdonságainak megértéséhez.
Emlékezzünk vissza, hogy a kötési sorrend különbsége az elektronsűrűség különböző értékeit és a két atom közötti eltérő interatomi távolságokat jelzi (egyszerűbben a kettős kötés rövidebb, mint az egyetlen). Az etánban a szén-szén kötés sorrendje egy, az etilénben - kettő, a klasszikus aromás molekulában - a benzolban - a szén-szén kötés sorrendje nagyobb, mint egy, de kisebb, mint kettő, és egyenlőnek tekinthető 1,5-re.
Sokkal nehezebb meghatározni a kötések sorrendjét, ha az egyszerű aromás rendszerekről a sík vagy terjedelmes polikondenzált gyűrűrendszerekre megyünk át. Így a kondenzált öt- és hattagú széngyűrűkből álló fullerének kötéseinek sorrendje egytől kettőig tetszőleges értéket vehet fel. Ugyanez a bizonytalanság elméletileg velejárója a policiklusos aromás vegyületeknek.
2012-ben Leo Gross Fabian Monnnal együtt kimutatta, hogy egy szén-monoxiddal módosított, érintésmentes fém szondával ellátott atomerőmikroszkóp képes mérni az atomok töltéseloszlásában és az atomközi távolságokban mutatkozó különbségeket – vagyis a töltés sorrendjéhez kapcsolódó paramétereket. a kötés ( Tudomány, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126 / science.1225621).
Ennek érdekében kétféle kémiai kötést tanulmányoztak fullerénben – egy szén-szén kötést, amely a C 60 fullerén két hattagú széntartalmú gyűrűjére jellemző, és egy szén-szén kötést, amely az öt- és hattagú gyűrűkre jellemző. gyűrűk. Az atomerőmikroszkóp kimutatta, hogy a hattagú gyűrűk kondenzációja rövidebb és magasabb rendű kötést eredményez, mint a C 6 és C 5 ciklikus fragmensek kondenzációja. A kémiai kötés sajátosságainak vizsgálata hexabenzokoronénben, ahol a központi C 6 ciklus körül szimmetrikusan további hat C 6 ciklus helyezkedik el, megerősítette a kvantumkémiai modellezés eredményeit, mely szerint a központi gyűrű C – C kötéseinek sorrendje ( a 4. ábrán a levél én) nagyobbnak kell lennie, mint a gyűrűt a perifériás ciklusokkal összekötő kötéseknek (a 4. ábrán a betű j). Hasonló eredményeket kaptunk egy összetettebb policiklusos aromás szénhidrogén esetében is, amely kilenc hattagú gyűrűt tartalmaz.
A kötési sorrendek és az atomközi távolságok természetesen érdekelték a szerves kémikusokat, de ez sokkal fontosabb volt azok számára, akik a kémiai kötések elméletével, a reaktivitás előrejelzésével és a kémiai reakciók mechanizmusainak tanulmányozásával foglalkoztak. Ennek ellenére mind a szintetikus vegyészeket, mind a természetes vegyületek szerkezetének vizsgálatával foglalkozó szakembereket meglepetés érte: kiderült, hogy atomerőmikroszkóppal ugyanúgy meg lehet határozni a molekulák szerkezetét, mint NMR- vagy IR-spektroszkópiával. Ráadásul olyan kérdésekre is egyértelmű választ ad, amelyekkel ezek a módszerek nem képesek megbirkózni.
A fotózástól a filmművészetig
2010-ben ugyanaz a Leo Gross és Rainer Ebel tudta egyértelműen megállapítani egy természetes vegyület - a baktériumból izolált cephalandol A - szerkezetét. Dermacoccus abyssi(Természetkémia, 2010, 2, 821-825, doi: 10.1038 / nchem.765). A cefalandol A összetételét korábban tömegspektrometriával határozták meg, azonban a vegyület NMR-spektrumának elemzése nem adott egyértelmű választ a szerkezet kérdésére: négy változat lehetséges. Atomerőmikroszkóp segítségével a kutatók a négy szerkezet közül kettőt azonnal kizártak, a fennmaradó kettő közül pedig a helyes választást az AFM és a kvantumkémiai modellezés eredményeinek összehasonlításával végezték el. A feladat nehéznek bizonyult: a pentacénnel, fullerénnel és koronenekkel ellentétben a cephalandol A nemcsak szén- és hidrogénatomot tartalmaz, ráadásul ennek a molekulának nincs szimmetriasíkja (5. ábra) - de ez a probléma is megoldódott.
Egy másik megerősítést, hogy az atomerőmikroszkóp használható elemző eszközként, Oskar Kustanz csoportja érkezett, aki akkoriban az oszakai egyetem mérnöki karában dolgozott. Megmutatta, hogyan lehet az AFM segítségével megkülönböztetni azokat az atomokat, amelyek sokkal kevésbé különböznek egymástól, mint a szén és a hidrogén ( Természet, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038 / nature05530). Kostanz egy szilíciumból, ónból és ólmból álló ötvözet felületét vizsgálta, és mindegyik elemből ismert. Számos kísérlet eredményeként megállapította, hogy az AFM szonda csúcsa és a különböző atomok között fellépő erő eltérő (6. ábra). Például a legerősebb kölcsönhatás a szilícium, a leggyengébb pedig az ólom szondázása során volt megfigyelhető.
Feltételezhető, hogy a jövőben az egyes atomok felismerésére szolgáló atomerőmikroszkópos eredményeket az NMR eredményeihez hasonlóan - relatív értékek összehasonlításával - dolgozzák fel. Mivel a szondatű pontos összetételét nehéz ellenőrizni, a szonda és a különböző felületi atomok közötti erő abszolút értéke a kísérleti körülményektől és a készülék márkájától függ, de ezeknek az erőknek az aránya bármilyen összetétel és forma esetén. a szonda minden kémiai elemnél állandó marad.
2013-ban jelentek meg az első példák arra, hogy az AFM-et kémiai reakciók előtti és utáni egyes molekulák képeinek készítésére használják: a reakció termékeiből és közbenső termékeiből "fotoszettet" készítenek, amelyet aztán egyfajta dokumentumfilmként szerkeszthetnek ( Tudomány, 2013, 340, 6139, 1434-1437; doi: 10.1126 / science.1238187).
Felix Fischer és Michael Crommey, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem munkatársai ezüstöt vittek fel a felületre 1,2-bisz [(2-etinil-fenil)-etinil]-benzol, leképezte a molekulákat, és felmelegítette a felületet, hogy megindítsa a ciklizációt. Az eredeti molekulák fele policiklusos aromás szerkezetekké alakult, amelyek kondenzált öt hattagú és két öttagú gyűrűből állnak. A molekulák másik negyede négy hattagú, egy négytagú cikluson keresztül összekapcsolódó gyűrűből és két öttagú gyűrűből álló szerkezeteket alkotott (7. ábra). A többi termék oligomer szerkezetű és kis mennyiségben policiklusos izomer volt.
Ezek az eredmények kétszer is meglepték a kutatókat. Először is csak két fő termék keletkezett a reakció során. Másodszor a szerkezetük meglepő volt. Fischer megjegyzi, hogy a kémiai intuíció és a tapasztalat lehetővé tette számára, hogy több tucat lehetséges reakcióterméket rajzoljon le, de egyik sem felelt meg a felszínen keletkező vegyületeknek. Valószínűleg az atipikus kémiai folyamatok lefolyását elősegítette a kiindulási anyagoknak a szubsztrátummal való kölcsönhatása.
Természetesen a kémiai kötések tanulmányozásában elért első komoly előrelépések után egyes kutatók úgy döntöttek, hogy az AFM-et használják gyengébb és kevésbé tanulmányozott intermolekuláris kölcsönhatások, különösen a hidrogénkötések megfigyelésére. A munka azonban ezen a területen még csak most kezdődik, és az eredmények ellentmondásosak. Így egyes publikációkban arról számolnak be, hogy az atomerőmikroszkópia lehetővé tette a hidrogénkötés megfigyelését ( Tudomány, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126 / science.1242603), másokban azzal érvelnek, hogy ezek csak műtermékek az eszköz tervezési jellemzői miatt, és a kísérleti eredményeket pontosabban kell értelmezni ( Fizikai áttekintő levelek, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103 / PhysRevLett.113.186102). Talán már ebben az évtizedben megkapjuk a végső választ arra a kérdésre, hogy lehetséges-e atomerőmikroszkóppal megfigyelni a hidrogént és más intermolekuláris kölcsönhatásokat. Ehhez legalább többször meg kell növelni az AFM felbontást, és meg kell tanulni, hogyan lehet interferencia nélkül képeket készíteni ( Fizikai áttekintés B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103 / PhysRevB.90.085421).
Egy molekula szintézise
Ügyes kezekben az STM és az AFM is átalakul az anyag tanulmányozására alkalmas eszközökből olyan eszközökké, amelyek képesek az anyag szerkezetének irányváltoztatására. Ezekkel az eszközökkel már sikerült megszerezni a "legkisebb kémiai laboratóriumokat", amelyekben lombik helyett szubsztrátot, mol vagy millimol reaktáns helyett egyedi molekulákat használnak.
Például 2016-ban egy nemzetközi tudóscsoport Takashi Kumagai vezetésével érintkezés nélküli atomerőmikroszkópiát használt, hogy egy porfizénmolekulát egyik formából a másikba vigyen át. Természetkémia, 2016, 8, 935-940, doi: 10.1038 / nchem.2552). A porficén a porfirin módosulatának tekinthető, amelynek belső ciklusa négy nitrogénatomot és két hidrogénatomot tartalmaz. Az AFM szonda rezgései elegendő energiát adtak át a porfizén molekulának ahhoz, hogy ezeket a hidrogéneket egyik nitrogénatomról a másikra vigyék át, és az eredmény ennek a molekulának a "tükörképe" (8. ábra).
A fáradhatatlan Leo Gross vezette csoport azt is kimutatta, hogy lehetséges egyetlen molekula reakciója is – a dibróm-antracént tíztagú ciklikus diinné alakították át (9. ábra; Természetkémia, 2015, 7, 623-628, doi: 10.1038 / nchem.2300). Kumagai és munkatársaival ellentétben ők pásztázó alagútmikroszkóppal aktiválták a molekulát, és a reakció eredményét atomerőmikroszkóppal követték nyomon.
A pásztázó alagútmikroszkóp és az atomerőmikroszkóp együttes alkalmazása lehetővé tette olyan molekula előállítását is, amely klasszikus technikákkal és módszerekkel nem szintetizálható ( Természet Nanotechnológia, 2017, 12, 308-311, doi: 10.1038 / nnano.2016.305). Ez egy háromszöglet, egy instabil aromás kétgyök, amelynek létezését hat évtizeddel ezelőtt jósolták, de minden szintéziskísérlet sikertelen volt (10. ábra). Niko Pavlicek csoportjának kémikusai úgy kapták meg a kívánt vegyületet, hogy eltávolítottak két hidrogénatomot a prekurzorból az STM segítségével, és megerősítették a szintetikus eredményt AFM segítségével.
Feltételezhető, hogy az atomerő-mikroszkópiának a szerves kémiában való felhasználásával foglalkozó munkák száma tovább fog növekedni. Jelenleg egyre több tudós próbálja megismételni a felszínen azokat a reakciókat, amelyek jól ismertek az "oldatkémiából". De talán a szintetikus vegyészek elkezdik az oldatban reprodukálni azokat a reakciókat, amelyeket eredetileg a felszínen hajtottak végre az AFM segítségével.
A nem élőből az élővé
Az atomerőmikroszkópok konzoljai és szondái nemcsak egzotikus molekulák analitikai kutatására vagy szintézisére, hanem alkalmazott problémák megoldására is használhatók. Már ismertek az AFM alkalmazásának esetei az orvostudományban, például a rák korai diagnosztizálására, és itt ugyanaz a Christopher Gerber az úttörő, aki részt vett az atomerőmikroszkópia elvének kidolgozásában és létrehozásában. az AFM.
Tehát Gerber meg tudta tanítani az AFM-et a ribonukleinsav pontmutációjának meghatározására melanomában (a biopszia eredményeként kapott anyagon). Ehhez az atomi erőmikroszkóp arany konzolját olyan oligonukleotidokkal módosították, amelyek intermolekuláris kölcsönhatásba léphetnek az RNS-sel, és ennek a kölcsönhatásnak az erőssége a piezoelektromos hatás miatt ma is mérhető. Az AFM szenzor érzékenysége akkora, hogy már próbálják felhasználni a népszerű CRISPR-Cas9 genomszerkesztési módszer hatékonyságának tanulmányozására. A kutatók különböző generációi által létrehozott technológiákat egyesíti.
Az egyik politikai elmélet klasszikusát átfogalmazva azt mondhatjuk, hogy már látjuk az atomerőmikroszkópia végtelen lehetőségeit és kimeríthetetlenségét, és alig tudjuk elképzelni, mi vár ránk e technológiák továbbfejlesztése kapcsán. A pásztázó alagútmikroszkóp és az atomerőmikroszkóp azonban már ma is lehetővé teszi az atomok látását és érintését. Elmondhatjuk, hogy ez nem csak a szemünk kiterjesztése, amely lehetővé teszi számunkra, hogy az atomok és molekulák mikrokozmoszába nézzünk, hanem új szemek, új ujjak is, amelyek megérinthetik és irányíthatják ezt a mikrokozmoszot.
Az atom (a görög "oszthatatlan" szóból) egykor egy anyag legkisebb mikroszkopikus méretű részecskéje, egy kémiai elem legkisebb része, amely hordozza annak tulajdonságait. Az atom alkotóelemei - protonok, neutronok, elektronok - már nem rendelkeznek ezekkel a tulajdonságokkal, és együtt alkotják őket. A kovalens atomok molekulákat alkotnak. A tudósok tanulmányozzák az atom tulajdonságait, és bár már eléggé tanulmányozottak, nem hagyják ki a lehetőséget, hogy valami újat találjanak - különösen az új anyagok és új atomok létrehozása terén (a periódusos rendszer folytatása). Az atom tömegének 99,9%-a az atommagra esik.
Ne ijedjen meg a főcímtől. A SLAC National Accelerator Laboratory munkatársai által véletlenül létrejött fekete lyukról kiderült, hogy csak egy atomnyi méretű, tehát semmi sem fenyeget bennünket. A "fekete lyuk" elnevezés pedig csak homályosan írja le a kutatók által megfigyelt jelenséget. Többször meséltünk már a világ legerősebb röntgenlézeréről, az ún
Valójában az RTC szerzője "elmélkedéseiben" odáig jutott, hogy súlyos ellenérveket váltott ki, nevezetesen a japán tudósok hidrogénatom-fotózási kísérletének adatait, amelyek 2010. november 4-én váltak ismertté. A képen jól látható az atom alakja, megerősítve az atomok diszkrétségét és gömbölyűségét: „A Tokiói Egyetem tudósainak és szakembereinek egy csoportja a világon először fényképezett le egyetlen hidrogénatomot – a legkönnyebb és legkisebb atomot, hírek ügynökségek jelentenek.
A kép az egyik legújabb technológiával készült - egy speciális pásztázó elektronmikroszkóppal. Ennek az eszköznek a segítségével a hidrogénatommal együtt egyetlen vanádium atomot fényképeztek le.
A hidrogénatom átmérője a méter egy tízmilliárd része. Korábban azt hitték, hogy modern felszereléssel szinte lehetetlen lefényképezni. A hidrogén a legnagyobb mennyiségben előforduló anyag. Része az egész Univerzumban körülbelül 90%.
A tudósok szerint más elemi részecskék is befoghatók ugyanígy. „Most már láthatjuk a világunkat alkotó összes atomot” – mondta Yuichi Ikuhara professzor. "Ez egy áttörés az új termelési formák felé, amikor a jövőben az egyes atomok és molekulák szintjén lehet majd döntéseket hozni."
Hidrogénatom, hagyományos színek
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Németországból, Görögországból, Hollandiából, az Egyesült Államokból és Franciaországból tudósok egy csoportja készített képeket a hidrogénatomról. Ezek a fotoionizációs mikroszkóppal készült képek az elektronsűrűség-eloszlást mutatják, ami teljesen egybeesik az elméleti számítások eredményeivel. A nemzetközi csoport munkáját a Physical Review Letters oldalain mutatják be.
A fotoionizációs módszer lényege a hidrogénatomok szekvenciális ionizálása, vagyis az elektromágneses besugárzás hatására egy elektron leválása róluk. Az elválasztott elektronok egy pozitív töltésű gyűrűn keresztül az érzékeny mátrixba kerülnek, és az elektron helyzete a mátrixszal való ütközés pillanatában az elektron helyzetét tükrözi az atom ionizációjának pillanatában. Az elektronokat oldalra terelő töltött gyűrű lencseként működik, és segítségével milliószorosára nagyítja a képet.
Ezzel a 2004-ben ismertetett módszerrel már az egyes molekulákról „fényképeket” készítettek, de a fizikusok tovább mentek, és fotoionizációs mikroszkóp segítségével vizsgálták a hidrogénatomokat. Mivel egy elektron becsapódása csak egy pontot ad, a kutatók mintegy 20 ezer egyedi elektront halmoztak fel különböző atomokból, és egy átlagos képet állítottak össze az elektronhéjakról.
A kvantummechanika törvényei szerint az atomban lévő elektronnak önmagában nincs meghatározott pozíciója. Csak ha egy atom kölcsönhatásba lép a külső környezettel, akkor bizonyos valószínűséggel elektron jelenik meg az atommag egy bizonyos közelében: azt a tartományt, amelyben az elektron detektálásának valószínűsége maximális, elektronhéjnak nevezzük. Az új képeken a különböző energiaállapotú atomok közötti különbségek láthatók; a tudósok vizuálisan demonstrálhatták az elektronhéjak kvantummechanika által megjósolt alakját.
Más műszerekkel, pásztázó alagútmikroszkóppal az egyes atomok nem csak láthatók, hanem a kívánt helyre is mozgathatók. Körülbelül egy hónapja ez a technika lehetővé tette az IBM mérnökei számára, hogy rajzfilmet rajzoljanak, amelynek minden képkockája atomokból áll: az ilyen művészi kísérleteknek nincs gyakorlati hatása, de az atomok manipulálásának alapvető lehetőségét demonstrálják. Alkalmazott célokra már nem atomi összeállítást alkalmaznak, hanem olyan kémiai folyamatokat, amelyek a nanostruktúrák önszerveződésével vagy a monoatomi rétegek szubsztrátumon történő növekedésének önkorlátozásával járnak.
Mint tudják, az Univerzumban minden anyag atomokból áll. Az atom az anyag legkisebb egysége, amely hordozza tulajdonságait. Az atom szerkezetét viszont a mikrorészecskék mágikus hármassága alkotja: protonok, neutronok és elektronok.
Ezenkívül a mikrorészecskék mindegyike univerzális. Vagyis nem találhatunk két különböző protont, neutront vagy elektront a világon. Mindegyik teljesen egyforma. És az atom tulajdonságai csak ezeknek a mikrorészecskéknek az atom általános szerkezetében lévő mennyiségi összetételétől függenek.
Például egy hidrogénatom szerkezete egy protonból és egy elektronból áll. A következő összetettségben a hélium atom két protonból, két neutronból és két elektronból áll. A lítium atom három protonból, négy neutronból és három elektronból áll, stb.
Atomszerkezet (balról jobbra): hidrogén, hélium, lítium
Az atomok molekulákká, a molekulák pedig anyagokká, ásványi anyagokká és organizmusokká egyesülnek. A DNS-molekula, amely minden élőlény alapja, egy olyan szerkezet, amely az univerzum három varázstéglájából áll össze, mint egy kő, amely az úton hever. Bár ez a szerkezet sokkal összetettebb.
Még meglepőbb tényekre derül fény, ha megpróbáljuk közelebbről szemügyre venni az atomrendszer arányait és szerkezetét. Ismeretes, hogy az atom egy magból és a körülötte egy gömböt leíró pályán mozgó elektronokból áll. Vagyis nem is nevezhető mozgalomnak a szó szokásos értelmében. Az elektron inkább mindenhol és közvetlenül ebben a szférában található, elektronfelhőt hozva létre az atommag körül, és elektromágneses teret képezve.
Az atom szerkezetének sematikus ábrázolásai
Az atommag protonokból és neutronokból áll, és a rendszer szinte teljes tömege benne összpontosul. Ugyanakkor maga az atommag olyan kicsi, hogy ha 1 cm-es skálára növeli a sugarát, akkor a teljes atomszerkezet sugara eléri a több száz métert. Így minden, amit sűrű anyagként érzékelünk, a fizikai részecskék közötti energiakapcsolatok több mint 99%-a és maguk a fizikai formák kevesebb, mint 1%-a.
De mik is ezek a fizikai formák? Miből készülnek és milyen anyagúak? A kérdések megválaszolásához nézzük meg közelebbről a protonok, neutronok és elektronok szerkezetét. Tehát még egy lépést leereszkedünk a mikrovilág mélyére - a szubatomi részecskék szintjére.
Miből áll egy elektron?
Az atomban a legkisebb részecske egy elektron. Az elektronnak van tömege, de nincs térfogata. A tudományos felfogás szerint az elektron nem áll semmiből, hanem egy szerkezet nélküli pont.
Az elektron nem látható mikroszkóp alatt. Csak elektronfelhő formájában figyelhető meg, amely úgy néz ki, mint egy elmosódott gömb az atommag körül. Ugyanakkor nem lehet pontosan megmondani, hogy az elektron hol van az adott pillanatban. Az eszközök nem magát a részecskét, hanem csak annak energianyomát képesek rögzíteni. Az elektron lényege nincs beágyazva az anyag fogalmába. Inkább olyan, mint egyfajta üres forma, amely csak mozgásban és mozgás következtében létezik.
Eddig nem találtak szerkezetet az elektronban. Ugyanaz a pontszerű részecske, mint az energiakvantum. Valójában az elektron energia, de ennek stabilabb formája, mint az, amit a fény fotonjai képviselnek.
Jelenleg az elektron oszthatatlannak számít. Ez érthető, mert azt nem lehet felosztani, aminek nincs hangereje. Elméletileg azonban már léteznek olyan fejlemények, amelyek szerint az elektron összetétele olyan kvázirészecskék hármasságát tartalmazza, mint:
- Orbiton - információkat tartalmaz az elektron pályahelyzetéről;
- A spinon felelős a forgásért vagy a nyomatékért;
- Holon - információt hordoz az elektron töltésével kapcsolatban.
Azonban, mint látjuk, az anyaggal való kvázirészecskéknek már nincs semmi közös vonásuk, és csak egy információt hordoznak.
Fényképek különböző anyagok atomjairól elektronmikroszkópban
Érdekes módon egy elektron képes elnyelni az energia kvantumait, például fényt vagy hőt. Ebben az esetben az atom új energiaszintre lép, és az elektronfelhő határai kitágulnak. Az is előfordul, hogy az elektron által elnyelt energia akkora, hogy ki tud ugrani az atomrendszerből, majd önálló részecskeként folytatja mozgását. Ugyanakkor fényfotonként viselkedik, vagyis úgy tűnik, hogy megszűnik részecske lenni, és megkezdi a hullám tulajdonságait. Ezt kísérletileg bebizonyították.
Jung kísérlete
A kísérlet során egy elektronáramot irányítottak egy képernyőre, amelyen két rés volt átvágva. Ezeken a réseken áthaladva az elektronok egy másik - vetítővászon felületének ütköztek, nyomot hagyva rajta. Az elektronokkal való "bombázás" eredményeként a vetítővásznon egy interferencia-mintázat jelent meg, amely hasonló ahhoz, ami akkor jelenne meg, ha a két résen hullámok, de nem részecskék haladnának át.
Egy ilyen minta abból adódik, hogy a két rés között áthaladó hullám két hullámra oszlik. A további mozgás hatására a hullámok átfedik egymást, egyes területeken kölcsönös csillapításuk következik be. Ennek eredményeként sok csíkot kapunk a vetítővásznon, egy helyett, mintha az elektron részecskeként viselkedne.
Az atommag szerkezete: protonok és neutronok
A protonok és a neutronok alkotják az atommagot. És annak ellenére, hogy a mag a teljes térfogat kevesebb mint 1% -át foglalja el, ebben a szerkezetben koncentrálódik a rendszer szinte teljes tömege. De a protonok és a neutronok szerkezetének rovására a fizikusok megosztottak, és jelenleg két elmélet létezik egyszerre.
- 1. elmélet – Szabvány
A standard modell szerint a protonok és a neutronok három kvarkból állnak, amelyeket gluonfelhő köt össze. A kvarkok pontszerű részecskék, akárcsak a kvantumok és az elektronok. A gluonok pedig virtuális részecskék, amelyek biztosítják a kvarkok kölcsönhatását. A természetben azonban sem kvarkokat, sem gluonokat nem találtak, ezért ez a modell komoly kritikáknak örvend.
- 2. elmélet – Alternatív
De az egyesített tér Einstein által kidolgozott alternatív elmélete szerint a proton, akárcsak a neutron, mint a fizikai világ bármely más részecskéje, fénysebességgel forgó elektromágneses tér.
Az emberi és a bolygó elektromágneses mezői
Mik az atom szerkezetének elvei?
A világon minden - vékony és sűrű, folyékony, szilárd és gázhalmazállapotú - csak az Univerzum terét átható, számtalan mező energiaállapota. Minél magasabb az energiaszint a mezőben, annál vékonyabb és kevésbé érzékelhető. Minél alacsonyabb az energiaszint, annál stabilabb és kézzelfoghatóbb. Az atom szerkezetében, akárcsak az Univerzum bármely más egységének szerkezetében, az ilyen – energiasűrűségben eltérő – mezők kölcsönhatása zajlik. Kiderült, hogy az anyag csak az elme illúziója.
Az egyesült államokbeli fizikusoknak rekordfelbontással sikerült lefényképezni az egyes atomokat – írja a Day.Az a Vesti.ru-ra hivatkozva.
Az egyesült államokbeli Cornell Egyetem tudósainak rekord felbontással – kevesebb, mint fél angström (0,39 Å) – sikerült megörökíteniük az egyes atomokat. A korábbi fényképek kétszer akkora felbontásúak voltak – 0,98 Å.
Az atomokat látó nagy teljesítményű elektronmikroszkópok már fél évszázada léteznek, felbontásukat azonban korlátozza a látható fény hullámhossza, amely nagyobb, mint egy atom átlagos átmérője.
Ezért a tudósok a lencsék egyfajta analógját használják, amelyek az elektronmikroszkópban fókuszálják és felnagyítják a képet - ezek egy mágneses mező. A mágneses tér ingadozása azonban torzítja az eredményt. A torzítások eltávolítására további eszközöket használnak, amelyek korrigálják a mágneses teret, ugyanakkor növelik az elektronmikroszkóp tervezésének összetettségét.
Korábban a Cornell Egyetem fizikusai kifejlesztették az Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD) eszközt, amely a bejövő elektronokat fókuszáló generátorok összetett rendszerét egyetlen, 128x128 pixeles felbontású, az egyes elektronokra érzékeny mátrixszal váltotta fel. Minden pixel rögzíti egy elektron visszaverődési szögét; Ennek ismeretében a tudósok ptikográfiai technikával rekonstruálják az elektronok jellemzőit, beleértve annak a pontnak a koordinátáit, ahonnan kiszabadultak.
Atomok a legnagyobb felbontásban
David A. Muller et al. Természet, 2018.
2018 nyarán a fizikusok úgy döntöttek, hogy a kapott képek minőségét a mai napig rekord felbontásra javítják. A tudósok egy 2D-s anyagot, a MoS2-molibdén-szulfidot egy mozgatható sugárhoz erősítettek, és elektronsugarat szabadítottak fel, és a sugarat különböző szögekbe fordították az elektronforráshoz. Az EMPAD és a ptikográfia segítségével a tudósok meghatározták az egyes molibdénatomok közötti távolságokat, és rekord felbontású, 0,39 Å képet kaptak.
„Valójában a világ legkisebb vonalát hoztuk létre” – magyarázza Sol Gruner, a kísérlet egyik szerzője. A kapott képen 0,39 Å rekordfelbontású kénatomokat lehetett megkülönböztetni. Sőt, még egy olyan helyet is ki lehetett látni, ahol egy ilyen atom hiányzik (nyíl jelzi).
Kénatomok rekordfelbontásban