Trurl začal chytať atómy, zoškrabávať z nich elektróny, miesiť protóny, takže sa mihali len prsty, pripravil protónové cesto, okolo neho dal elektróny a - pre ďalší atóm; neprešlo ani päť minút, kým držal v rukách blok z čistého zlata: podal si ho do papule, ona ochutnala blok na zube a prikývla hlavou, povedala:
- A skutočne zlato, len ja nemôžem takto naháňať atómy. Som príliš veľký.
- Nič, dáme vám špeciálny prístroj! Trurl ho presvedčil.
Stanislav Lem, "Kyberiáda"
Je možné pomocou mikroskopu vidieť atóm, rozlíšiť ho od iného atómu, sledovať deštrukciu alebo vytvorenie chemickej väzby a vidieť, ako sa jedna molekula premieňa na druhú? Áno, ak nejde o jednoduchý mikroskop, ale o atómovú silu. Alebo sa nemusíte obmedzovať len na pozorovanie. Žijeme v dobe, keď mikroskop atómových síl už nie je len oknom do mikrokozmu. Dnes sa toto zariadenie dá použiť na premiestňovanie atómov, lámanie chemických väzieb, štúdium medze ťahu jednotlivých molekúl – a dokonca aj štúdium ľudského genómu.
Xenónové pixelové písmená
Nebolo vždy ľahké pozerať sa na atómy. História mikroskopu atómovej sily sa začala písať v roku 1979, keď Gerd Karl Binnig a Heinrich Rohrer, ktorí pracovali vo Výskumnom centre IBM v Zürichu, začali vytvárať prístroj, ktorý by umožňoval štúdium povrchov s atómovým rozlíšením. Na vymyslenie takéhoto zariadenia sa výskumníci rozhodli využiť efekt tunelového spojenia – schopnosť elektrónov prekonávať zdanlivo nepriechodné bariéry. Myšlienkou bolo určiť polohu atómov vo vzorke meraním sily tunelovacieho prúdu, ktorý sa vyskytuje medzi skenovacou sondou a skúmaným povrchom.
Binnig a Rohrer uspeli a do histórie sa zapísali ako vynálezcovia rastrovacieho tunelového mikroskopu (STM) a v roku 1986 dostali Nobelovu cenu za fyziku. Skenovací tunelový mikroskop spôsobil revolúciu vo fyzike a chémii.
V roku 1990 Don Eigler a Erhard Schweizer, ktorí pracovali vo výskumnom stredisku IBM v Kalifornii, ukázali, že STM možno použiť nielen na pozorovanie atómov, ale aj na manipuláciu s nimi. Pomocou sondy skenovacieho tunelového mikroskopu vytvorili pravdepodobne najpopulárnejší obrázok prechodu chemikov k práci s jednotlivými atómami – na niklový povrch namaľovali tri písmená s 35 atómami xenónu (obrázok 1).
Binnig nezaspal na vavrínoch - v roku preberania Nobelovej ceny spolu s Christopherom Gerberom a Calvinom Quaitom, ktorí tiež pracovali v IBM Zurich Research Center, začal pracovať na ďalšom zariadení na štúdium mikrokozmu bez nedostatkov. súčasťou STM. Faktom je, že pomocou skenovacieho tunelového mikroskopu nebolo možné študovať dielektrické povrchy, ale iba vodiče a polovodiče, a na ich analýzu bolo potrebné medzi nimi a mikroskopovou sondou vytvoriť značné riedenie. Binnig, Gerber a Quait si uvedomili, že vytvorenie nového zariadenia je jednoduchšie ako modernizácia existujúceho, vynašli mikroskop atómovej sily alebo AFM. Princíp jeho fungovania je zásadne odlišný: na získanie informácií o povrchu sa nemeria prúd, ktorý vzniká medzi mikroskopovou sondou a skúmanou vzorkou, ale hodnota príťažlivých síl vznikajúcich medzi nimi, tj. slabé nechemické interakcie – van der Waalsove sily.
Prvý pracovný model AFM bol pomerne jednoduchý. Výskumníci presunuli diamantovú sondu napojenú na flexibilný mikromechanický senzor - konzolu zo zlatej fólie po povrchu vzorky (medzi sondou a atómom vzniká príťažlivosť, konzola sa ohýba v závislosti od sily príťažlivosti a deformuje piezoelektrikum) . Stupeň ohybu konzoly sa zisťoval pomocou piezoelektrických snímačov - podobným spôsobom sa drážky a hrebene vinylovej platne premenia na zvukový záznam. Konštrukcia mikroskopu atómovej sily umožnila detekovať príťažlivé sily až do 10 – 18 Newtonov. Rok po vytvorení funkčného prototypu sa výskumníkom podarilo získať obraz grafitového povrchového reliéfu s rozlíšením 2,5 angstromu.
Počas troch desaťročí, ktoré odvtedy prešli, sa AFM používala na štúdium prakticky akéhokoľvek chemického objektu – od povrchu keramického materiálu až po živé bunky a jednotlivé molekuly, a to v statickom aj dynamickom stave. Mikroskopia atómových síl sa stala ťažným koňom chemikov a materiálových vedcov a počet prác, v ktorých sa táto metóda uplatňuje, neustále rastie (obr. 2).
V priebehu rokov výskumníci našli podmienky pre kontaktné aj bezkontaktné štúdium objektov pomocou mikroskopie atómových síl. Kontaktná metóda je opísaná vyššie a je založená na van der Waalsovej interakcii medzi konzolou a povrchom. Pri práci v bezkontaktnom režime budí piezo vibrátor kmity sondy na určitej frekvencii (najčastejšie rezonančnej). Sila pôsobiaca z povrchu spôsobuje zmenu amplitúdy aj fázy sondy. Napriek niektorým nevýhodám bezkontaktnej metódy (predovšetkým citlivosť na vonkajší hluk) je to práve táto metóda, ktorá vylučuje vplyv sondy na skúmaný objekt, čo znamená, že je pre chemikov zaujímavejšia.
Živý sondami, v snahe o spojenie
Bezkontaktná mikroskopia atómových síl sa stala v roku 1998 vďaka práci Binnigovho študenta Franza Josefa Gissibleho. Bol to on, kto navrhol použiť ako konzolu kremenný referenčný oscilátor stabilnej frekvencie. O 11 rokov neskôr výskumníci z laboratória IBM v Zürichu podnikli ďalšiu úpravu bezkontaktného AFM: úlohu sondy-senzora nehral ostrý diamantový kryštál, ale jedna molekula - oxid uhoľnatý. To umožnilo prechod na subatomárne rozlíšenie, ako demonštroval Leo Gross z zürišskej divízie IBM. V roku 2009 s pomocou AFM zviditeľnil už nie atómy, ale chemické väzby, pričom získal celkom jasný a jednoznačne čitateľný „obrázok“ pre molekulu pentacénu (obr. 3; Veda, 2009, 325, 5944, 1110-1114, doi: 10.1126 / science.1176210).
Presvedčený, že AFM môže vidieť chemickú väzbu, sa Leo Gross rozhodol ísť ešte ďalej a pomocou mikroskopu atómovej sily zmerať dĺžky a usporiadanie väzieb – kľúčové parametre na pochopenie chemickej štruktúry, a teda vlastností látok.
Pripomeňme, že rozdiel v poradí väzieb naznačuje rôzne hodnoty hustoty elektrónov a rôzne medziatómové vzdialenosti medzi dvoma atómami (jednoduchšie, dvojitá väzba je kratšia ako jednoduchá). V etáne je poradie väzby uhlík-uhlík jedna, v etyléne - dve a v klasickej aromatickej molekule - benzén - je poradie väzby uhlík-uhlík väčšie ako jedna, ale menšie ako dve a považuje sa za rovnaké. do 1.5.
Je oveľa ťažšie určiť poradie väzieb, keď sa prechádza od jednoduchých aromatických systémov k plošným alebo objemným polykondenzovaným kruhovým systémom. Poradie väzieb vo fullerénoch pozostávajúcich z kondenzovaných päť- a šesťčlenných uhlíkových kruhov teda môže nadobudnúť akúkoľvek hodnotu od jednej do dvoch. Rovnaká neistota je teoreticky vlastná polycyklickým aromatickým zlúčeninám.
V roku 2012 Leo Gross spolu s Fabianom Monnom ukázali, že mikroskop atómovej sily s kovovou bezkontaktnou sondou modifikovanou oxidom uhoľnatým dokáže merať rozdiely v rozložení náboja atómov a medziatómových vzdialenostiach – teda parametre spojené s rádom väzba ( Veda, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126 / veda.1225621).
Na tento účel študovali dva typy chemických väzieb vo fullerénoch – väzbu uhlík-uhlík, spoločnú pre dva šesťčlenné uhlíkové kruhy fullerénu C60, a väzbu uhlík-uhlík, spoločnú pre päť- a šesťčlenné kruhy. krúžky. Mikroskop atómovej sily ukázal, že kondenzáciou šesťčlenných kruhov vzniká väzba, ktorá je kratšia a s vyšším rádom ako kondenzácia cyklických fragmentov C6 a C5. Štúdium vlastností chemickej väzby v hexabenzokoronéne, kde okolo centrálneho cyklu C 6 je symetricky umiestnených ďalších šesť cyklov C 6, potvrdili výsledky kvantovochemického modelovania, podľa ktorého poradie väzieb C – C centrálneho kruhu ( na obr. 4 písm i) musí byť väčšia ako väzby spájajúce tento krúžok s obvodovými cyklami (na obr. 4 písm j). Podobné výsledky sa získali pre zložitejší polycyklický aromatický uhľovodík obsahujúci deväť šesťčlenných kruhov.
Poradie väzieb a medziatómové vzdialenosti, samozrejme, boli zaujímavé pre organických chemikov, ale dôležitejšie to bolo pre tých, ktorí sa zaoberali teóriou chemických väzieb, predpovedali reaktivitu a študovali mechanizmy chemických reakcií. Napriek tomu syntetických chemikov aj špecialistov na štúdium štruktúry prírodných zlúčenín čakalo prekvapenie: ukázalo sa, že mikroskop atómovej sily možno použiť na určenie štruktúry molekúl rovnakým spôsobom ako NMR alebo IR spektroskopiu. Navyše poskytuje jednoznačnú odpoveď na otázky, s ktorými si tieto metódy nevedia poradiť.
Od fotografie po kinematografiu
V roku 2010 dokázali tí istí Leo Gross a Rainer Ebel jednoznačne stanoviť štruktúru prírodnej zlúčeniny - cefalandolu A izolovanej z baktérie Dermacoccus abyssi(Prírodná chémia, 2010, 2, 821-825, doi: 10.1038 / nchem.765). Zloženie cefalandolu A bolo predtým stanovené pomocou hmotnostnej spektrometrie, avšak analýza NMR spektier tejto zlúčeniny nedala jednoznačnú odpoveď na otázku jej štruktúry: boli možné štyri varianty. Pomocou mikroskopu atómovej sily vedci okamžite vylúčili dve zo štyroch štruktúr a urobili správnu voľbu zo zvyšných dvoch porovnaním výsledkov získaných z AFM a kvantového chemického modelovania. Úloha sa ukázala ako zložitá: na rozdiel od pentacénu, fullerénu a koronénov cefalandol A obsahuje nielen atómy uhlíka a vodíka, navyše táto molekula nemá rovinu symetrie (obr. 5) – ale aj takýto problém bol vyriešený.
Ďalšie potvrdenie, že mikroskop atómovej sily môže byť použitý ako analytický nástroj, prišlo od skupiny Oskara Kustanza, ktorý v tom čase pôsobil na Technickej škole na Osackej univerzite. Ukázal, ako použiť AFM na rozlíšenie atómov, ktoré sa navzájom líšia oveľa menej ako uhlík a vodík ( Príroda, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038 / nature05530). Kostanz skúmal povrch zliatiny pozostávajúcej z kremíka, cínu a olova so známym obsahom každého prvku. V dôsledku mnohých experimentov zistil, že sila vznikajúca medzi hrotom AFM sondy a rôznymi atómami je rôzna (obr. 6). Napríklad najsilnejšia interakcia bola pozorovaná pri sondovaní kremíka a najslabšia pri sondovaní olova.
Predpokladá sa, že v budúcnosti budú výsledky mikroskopie atómových síl na rozpoznávanie jednotlivých atómov spracované rovnako ako výsledky NMR - porovnaním relatívnych hodnôt. Keďže presné zloženie ihly sondy je ťažké kontrolovať, absolútna hodnota sily medzi sondou a rôznymi povrchovými atómami závisí od experimentálnych podmienok a značky zariadenia, ale pomer týchto síl pre akékoľvek zloženie a tvar sonda zostáva konštantná pre každý chemický prvok.
V roku 2013 sa objavili prvé príklady využitia AFM na získanie obrázkov jednotlivých molekúl pred a po chemických reakciách: z produktov a medziproduktov reakcie sa vytvorí „fotoset“, ktorý je možné následne upraviť ako druh dokumentárneho filmu ( Veda, 2013, 340, 6139, 1434-1437; doi: 10.1126 / science.1238187).
Felix Fischer a Michael Crommey z Kalifornskej univerzity v Berkeley naniesli na povrch striebro 1,2-bis[(2-etinylfenyl)etinyl]benzén, zobrazil molekuly a zahrial povrch, aby inicioval cyklizáciu. Polovica pôvodných molekúl sa zmenila na polycyklické aromatické štruktúry, pozostávajúce z kondenzovaných piatich šesťčlenných a dvoch päťčlenných kruhov. Ďalšia štvrtina molekúl vytvorila štruktúry pozostávajúce zo štyroch šesťčlenných kruhov spojených jedným štvorčlenným cyklom a dvoch päťčlenných kruhov (obr. 7). Zvyšok produktov boli oligomérne štruktúry a v malých množstvách polycyklické izoméry.
Tieto výsledky prekvapili výskumníkov dvakrát. Po prvé, počas reakcie vznikli iba dva hlavné produkty. Po druhé, ich štruktúra bola prekvapivá. Fischer poznamenáva, že chemická intuícia a skúsenosti mu umožnili nakresliť desiatky možných reakčných produktov, ale žiadny z nich nezodpovedal zlúčeninám, ktoré sa vytvorili na povrchu. Priebeh atypických chemických procesov možno uľahčila interakcia východiskových látok so substrátom.
Prirodzene, po prvých vážnych pokrokoch v štúdiu chemických väzieb sa niektorí výskumníci rozhodli použiť AFM na pozorovanie slabších a menej študovaných medzimolekulových interakcií, najmä vodíkových väzieb. Práce v tejto oblasti sú však len na začiatku a výsledky sú rozporuplné. Takže v niektorých publikáciách sa uvádza, že mikroskopia atómovej sily umožnila pozorovať vodíkovú väzbu ( Veda( Fyzické kontrolné listy, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103 / PhysRevLett.113.186102). Snáď konečnú odpoveď na otázku, či je možné pozorovať vodíkové a iné medzimolekulové interakcie pomocou mikroskopie atómových síl, dostaneme už v tomto desaťročí. Na to je potrebné aspoň niekoľkokrát zvýšiť rozlíšenie AFM a naučiť sa získavať snímky bez rušenia ( Fyzický prehľad B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103 / PhysRevB.90.085421).
Syntéza jednej molekuly
V šikovných rukách sa STM aj AFM transformujú zo zariadení schopných študovať hmotu na zariadenia schopné smerovo meniť štruktúru hmoty. Pomocou týchto zariadení sa už podarilo získať „najmenšie chemické laboratóriá“, v ktorých sa namiesto banky používa substrát a namiesto mólov či milimólov reaktantov jednotlivé molekuly.
Napríklad v roku 2016 použil medzinárodný tím vedcov pod vedením Takashi Kumagaia bezkontaktnú mikroskopiu atómovej sily na prenos molekuly porfyzénu z jednej formy do druhej ( Prírodná chémia, 2016, 8, 935-940, doi: 10.1038 / nchem.2552). Porfycén možno považovať za modifikáciu porfyrínu, ktorého vnútorný cyklus obsahuje štyri atómy dusíka a dva atómy vodíka. Vibrácie AFM sondy preniesli do molekuly porfycénu dostatok energie na prenos týchto vodíkov z jedného atómu dusíka na druhý a výsledkom bol „zrkadlový obraz“ tejto molekuly (obr. 8).
Skupina pod vedením neúnavného Lea Grossa tiež ukázala, že je možné spustiť reakciu jedinej molekuly – premenili dibrómantracén na desaťčlenný cyklický diín (obr. 9; Prírodná chémia, 2015, 7, 623-628, doi: 10.1038 / nchem.2300). Na rozdiel od Kumagaia a spol. použili na aktiváciu molekuly skenovací tunelový mikroskop a výsledok reakcie sledovali pomocou mikroskopu atómovej sily.
Kombinované použitie skenovacieho tunelového mikroskopu a mikroskopu atómovej sily dokonca umožnilo získať molekulu, ktorú nemožno syntetizovať klasickými technikami a metódami ( Príroda nanotechnológie, 2017, 12, 308-311, doi: 10.1038 / nnano.2016.305). Ide o triangulén, nestabilný aromatický biradikál, ktorého existenciu predpovedali už pred šiestimi desaťročiami, no všetky pokusy o syntézu boli neúspešné (obr. 10). Chemici zo skupiny Nika Pavliceka získali požadovanú zlúčeninu odstránením dvoch atómov vodíka z jej prekurzora pomocou STM a potvrdením syntetického výsledku pomocou AFM.
Predpokladá sa, že počet prác venovaných využitiu mikroskopie atómových síl v organickej chémii bude naďalej rásť. V súčasnosti sa čoraz viac vedcov snaží na povrchu zopakovať reakcie, ktoré sú dobre známe „chemike roztokov“. Ale možno, syntetickí chemici začnú v roztoku reprodukovať reakcie, ktoré sa pôvodne uskutočnili na povrchu pomocou AFM.
Od neživého k živému
Konzoly a sondy mikroskopov atómovej sily je možné využiť nielen na analytický výskum či syntézu exotických molekúl, ale aj na riešenie aplikovaných problémov. Už sú známe prípady využitia AFM v medicíne, napríklad na včasnú diagnostiku rakoviny, a tu je priekopníkom ten istý Christopher Gerber, ktorý sa podieľal na vývoji princípu mikroskopie atómových síl a vytvorení AFM.
Gerber bol teda schopný naučiť AFM určiť bodovú mutáciu ribonukleovej kyseliny v melanóme (na materiáli získanom ako výsledok biopsie). Na tento účel bola zlatá konzola mikroskopu atómovej sily modifikovaná oligonukleotidmi, ktoré môžu vstúpiť do intermolekulárnej interakcie s RNA a silu tejto interakcie možno stále merať vďaka piezoelektrickému efektu. Citlivosť snímača AFM je taká veľká, že sa ho už pokúšajú využiť na štúdium účinnosti populárnej metódy úpravy genómu CRISPR-Cas9. Spája technológie vytvorené rôznymi generáciami výskumníkov.
Parafrázujúc klasika jednej z politických teórií môžeme povedať, že už dnes vidíme nekonečné možnosti a nevyčerpateľnosť mikroskopie atómových síl a len ťažko si vieme predstaviť, čo nás v súvislosti s ďalším rozvojom týchto technológií čaká. Ale už dnes nám rastrovací tunelový mikroskop a mikroskop atómovej sily umožňujú vidieť a dotýkať sa atómov. Môžeme povedať, že to nie je len predĺženie našich očí, ktoré nám umožňuje nahliadnuť do mikrokozmu atómov a molekúl, ale aj nové oči, nové prsty, ktoré sa môžu dotknúť a ovládať tento mikrokozmos.
Atóm (z gréckeho „nedeliteľný“) je kedysi najmenšia častica látky mikroskopickej veľkosti, najmenšia časť chemického prvku, ktorá nesie jeho vlastnosti. Zložky atómu – protóny, neutróny, elektróny – už tieto vlastnosti nemajú a tvoria ich spolu. Kovalentné atómy tvoria molekuly. Vedci študujú vlastnosti atómu, a hoci sú už celkom dobre študovaní, nenechajú si ujsť príležitosť nájsť niečo nové - najmä v oblasti vytvárania nových materiálov a nových atómov (pokračovanie periodickej tabuľky). 99,9% hmotnosti atómu pripadá na jadro.
Nenechajte sa zastrašiť nadpisom. Ukázalo sa, že čierna diera, ktorú náhodne vytvorili pracovníci Národného laboratória urýchľovačov SLAC, má veľkosť iba jedného atómu, takže nás nič neohrozuje. A názov „čierna diera“ len vágne opisuje fenomén pozorovaný výskumníkmi. Opakovane sme vám hovorili o najvýkonnejšom röntgenovom laseri na svete, tzv
V skutočnosti autor RTC vo svojich „úvahách“ zašiel tak ďaleko, že vyvolal ťažké protiargumenty, konkrétne údaje o experimente japonských vedcov na fotografovaní atómu vodíka, ktorý sa stal známym 4. novembra 2010. Obrázok jasne ukazuje tvar atómu, čo potvrdzuje diskrétnosť aj guľatosť atómov: „Skupina vedcov a špecialistov z Tokijskej univerzity prvýkrát na svete odfotila jediný atóm vodíka – najľahší a najmenší zo všetkých atómov, novinky hlásia agentúry.
Snímka bola urobená pomocou jednej z najnovších technológií – špeciálneho rastrovacieho elektrónového mikroskopu. Pomocou tohto zariadenia sa podarilo odfotografovať spolu s atómom vodíka jediný atóm vanádu.
Priemer atómu vodíka je jedna desaťmiliardtina metra. Predtým sa verilo, že je takmer nemožné odfotografovať ho pomocou moderného vybavenia. Vodík je najrozšírenejšia látka. Jeho podiel v celom vesmíre je približne 90%.
Podľa vedcov sa rovnakým spôsobom dajú zachytiť aj ďalšie elementárne častice. "Teraz môžeme vidieť všetky atómy, ktoré tvoria náš svet," povedal profesor Yuichi Ikuhara. "Ide o prielom k novým formám výroby, keď sa v budúcnosti bude dať rozhodovať na úrovni jednotlivých atómov a molekúl."
Atóm vodíka, konvenčné farby
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Skupina vedcov z Nemecka, Grécka, Holandska, USA a Francúzska nafotila atóm vodíka. Tieto obrázky získané fotoionizačným mikroskopom ukazujú distribúciu elektrónovej hustoty, ktorá sa úplne zhoduje s výsledkami teoretických výpočtov. Práca medzinárodnej skupiny je prezentovaná na stránkach Physical Review Letters.
Podstata metódy fotoionizácie spočíva v sekvenčnej ionizácii atómov vodíka, to znamená v oddelení elektrónu od nich v dôsledku elektromagnetického ožiarenia. Oddelené elektróny sú nasmerované do citlivej matrice cez kladne nabitý kruh a poloha elektrónu v okamihu zrážky s matricou odráža polohu elektrónu v okamihu ionizácie atómu. Nabitý prstenec, ktorý vychyľuje elektróny do strany, funguje ako šošovka a s jej pomocou sa obraz zväčší miliónkrát.
Táto metóda opísaná v roku 2004 sa už používala na „fotografovanie“ jednotlivých molekúl, no fyzici zašli ďalej a na štúdium atómov vodíka použili fotoionizačný mikroskop. Keďže dopad jedného elektrónu dáva iba jeden bod, výskumníci nazhromaždili asi 20 tisíc jednotlivých elektrónov z rôznych atómov a zostavili priemerný obraz elektrónových obalov.
Podľa zákonov kvantovej mechaniky elektrón v atóme sám o sebe nemá žiadnu definitívnu polohu. Len pri interakcii atómu s vonkajším prostredím sa elektrón s určitou pravdepodobnosťou prejaví v určitej blízkosti atómového jadra: oblasť, v ktorej je pravdepodobnosť detekcie elektrónu maximálna, sa nazýva elektrónový obal. Nové obrázky ukazujú rozdiely medzi atómami rôznych energetických stavov; vedci dokázali vizuálne demonštrovať tvar elektrónových obalov predpovedaný kvantovou mechanikou.
Pomocou iných prístrojov, skenovacích tunelových mikroskopov, možno jednotlivé atómy nielen vidieť, ale aj presunúť na požadované miesto. Asi pred mesiacom táto technika umožnila inžinierom IBM nakresliť karikatúru, ktorej každý rám pozostáva z atómov: takéto umelecké experimenty nemajú žiadny praktický efekt, ale demonštrujú zásadnú možnosť manipulácie s atómami. Na aplikačné účely sa už nepoužíva atómová zostava, ale chemické procesy so samoorganizáciou nanoštruktúr alebo samoobmedzovaním rastu monatomických vrstiev na substráte.
Ako viete, všetko hmotné vo vesmíre pozostáva z atómov. Atóm je najmenšia jednotka hmoty, ktorá nesie jeho vlastnosti. Štruktúru atómu zase tvorí magická trojica mikročastíc: protóny, neutróny a elektróny.
Navyše, každá z mikročastíc je univerzálna. To znamená, že na svete nemôžete nájsť dva rôzne protóny, neutróny alebo elektróny. Všetky sú úplne rovnaké. A vlastnosti atómu budú závisieť len od kvantitatívneho zloženia týchto mikročastíc vo všeobecnej štruktúre atómu.
Napríklad štruktúra atómu vodíka pozostáva z jedného protónu a jedného elektrónu. Ďalej v zložitosti, atóm hélia sa skladá z dvoch protónov, dvoch neutrónov a dvoch elektrónov. Atóm lítia sa skladá z troch protónov, štyroch neutrónov a troch elektrónov atď.
Atómová štruktúra (zľava doprava): vodík, hélium, lítium
Atómy sa spájajú do molekúl a molekuly do látok, minerálov a organizmov. Molekula DNA, ktorá je základom všetkých živých vecí, je štruktúra zostavená z rovnakých troch magických tehál vesmíru ako kameň ležiaci na ceste. Hoci táto štruktúra je oveľa zložitejšia.
Ešte prekvapivejšie skutočnosti odhalíme, keď sa pokúsime bližšie pozrieť na proporcie a štruktúru atómového systému. Je známe, že atóm pozostáva z jadra a elektrónov, ktoré sa okolo neho pohybujú po trajektórii, ktorá opisuje guľu. To znamená, že sa to ani nedá nazvať pohybom v obvyklom zmysle slova. Elektrón sa skôr nachádza všade a bezprostredne v tejto sfére, vytvára elektrónový oblak okolo jadra a vytvára elektromagnetické pole.
Schematické znázornenia štruktúry atómu
Jadro atómu pozostáva z protónov a neutrónov a je v ňom sústredená takmer všetka hmota systému. Ale zároveň je samotné jadro také malé, že ak zväčšíte jeho polomer na mierku 1 cm, potom polomer celej atómovej štruktúry dosiahne stovky metrov. Všetko, čo vnímame ako hustú hmotu, teda pozostáva z viac ako 99 % energetických spojení medzi fyzickými časticami a menej ako 1 % samotných fyzických foriem.
Ale aké sú tieto fyzické formy? Z čoho sú vyrobené a z akého sú materiálu? Aby sme na tieto otázky odpovedali, pozrime sa bližšie na štruktúry protónov, neutrónov a elektrónov. Zostupujeme teda ešte o jeden krok do hlbín mikrosveta – na úroveň subatomárnych častíc.
Z čoho pozostáva elektrón?
Najmenšia častica v atóme je elektrón. Elektrón má hmotnosť, ale nemá objem. Z vedeckého hľadiska sa elektrón neskladá z ničoho, ale je to bod bez štruktúry.
Elektrón nie je možné vidieť pod mikroskopom. Pozoruje sa iba vo forme elektrónového oblaku, ktorý vyzerá ako rozmazaná guľa okolo atómového jadra. Zároveň nie je možné s presnosťou povedať, kde sa elektrón v danom čase nachádza. Zariadenia sú schopné zachytiť nie samotnú časticu, ale iba jej energetickú stopu. Podstata elektrónu nie je zakotvená v koncepte hmoty. Skôr je to ako akási prázdna forma, ktorá existuje len v pohybe a vďaka pohybu.
Doteraz sa v elektróne nenašla žiadna štruktúra. Je to rovnaká bodová častica ako kvantum energie. Elektrón je v skutočnosti energia, je však jej stabilnejšou formou ako tá, ktorú predstavujú fotóny svetla.
V súčasnosti sa elektrón považuje za nedeliteľný. Je to pochopiteľné, pretože nie je možné rozdeliť to, čo nemá objem. Teoreticky však už existuje vývoj, podľa ktorého zloženie elektrónu obsahuje trojicu takých kvázičastíc, ako sú:
- Orbiton - obsahuje informácie o orbitálnej polohe elektrónu;
- Spinon je zodpovedný za rotáciu alebo krútiaci moment;
- Holon - nesie informáciu o náboji elektrónu.
Ako však vidíme, kvázičastice s hmotou už nemajú absolútne nič spoločné a nesú len jednu informáciu.
Fotografie atómov rôznych látok v elektrónovom mikroskope
Je zaujímavé, že elektrón dokáže absorbovať kvantá energie, ako je svetlo alebo teplo. V tomto prípade sa atóm presunie na novú energetickú úroveň a hranice elektrónového oblaku sa rozšíria. Stáva sa tiež, že energia absorbovaná elektrónom je taká veľká, že môže vyskočiť z atómového systému a potom pokračovať vo svojom pohybe ako nezávislá častica. Zároveň sa správa ako fotón svetla, to znamená, že sa zdá, že prestáva byť časticou a začína prejavovať vlastnosti vlny. To bolo dokázané experimentálne.
Jungov experiment
V priebehu experimentu bol prúd elektrónov nasmerovaný na sito s dvomi prerezanými štrbinami. Pri prechode cez tieto štrbiny sa elektróny zrazili s povrchom iného - projekčného - plátna a zanechali na ňom svoju stopu. V dôsledku tohto „bombardovania“ elektrónmi sa na projekčnej ploche objavil interferenčný obrazec, podobný tomu, ktorý by sa objavil, keby cez dve štrbiny prešli vlny, ale nie častice.
Takýto vzor vzniká v dôsledku skutočnosti, že vlna prechádzajúca medzi dvoma štrbinami je rozdelená na dve vlny. V dôsledku ďalšieho pohybu sa vlny navzájom prekrývajú a v niektorých oblastiach dochádza k ich vzájomnému tlmeniu. Výsledkom je, že na projekčnom plátne dostaneme veľa pruhov namiesto jedného, ako by to bolo, keby sa elektrón správal ako častica.
Štruktúra jadra atómu: protóny a neutróny
Protóny a neutróny tvoria jadro atómu. A napriek tomu, že jadro zaberá menej ako 1% celkového objemu, práve v tejto štruktúre je sústredená takmer celá hmota systému. Ale na úkor štruktúry protónov a neutrónov sa fyzici rozdelili a v súčasnosti existujú dve teórie naraz.
- Teória č. 1 - Štandard
Štandardný model hovorí, že protóny a neutróny sa skladajú z troch kvarkov spojených oblakom gluónov. Kvarky sú bodové častice, rovnako ako kvantá a elektróny. A gluóny sú virtuálne častice, ktoré zabezpečujú interakciu kvarkov. V prírode sa však nenašli ani kvarky, ani gluóny, preto je tento model veľmi kritizovaný.
- Teória č. 2 - Alternatíva
Ale podľa alternatívnej teórie zjednoteného poľa, ktorú vyvinul Einstein, protón, podobne ako neutrón, ako každá iná častica fyzického sveta, je elektromagnetické pole rotujúce rýchlosťou svetla.
Ľudské a planétové elektromagnetické polia
Aké sú princípy štruktúry atómu?
Všetko na svete - tenké a husté, kvapalné, pevné a plynné - sú len energetické stavy nespočetných polí, ktoré prenikajú priestorom Vesmíru. Čím vyššia je úroveň energie v poli, tým je tenšia a menej vnímateľná. Čím je hladina energie nižšia, tým je stabilnejšia a hmatateľnejšia. V štruktúre atómu, rovnako ako v štruktúre ktorejkoľvek inej jednotky Vesmíru, existuje interakcia takýchto polí - odlišná hustotou energie. Ukazuje sa, že hmota je len ilúziou mysle.
Fyzikom zo Spojených štátov sa podarilo odfotografovať jednotlivé atómy s rekordným rozlíšením, informuje Day.Az s odvolaním sa na Vesti.ru
Vedcom z Cornell University v Spojených štátoch sa podarilo zachytiť jednotlivé atómy na fotografii s rekordným rozlíšením – menej ako polovica angstromu (0,39 Å). Predchádzajúce fotografie mali dvojnásobne nižšie rozlíšenie – 0,98 Å.
Výkonné elektrónové mikroskopy, ktoré dokážu vidieť atómy, existujú už pol storočia, no ich rozlíšenie je obmedzené vlnovou dĺžkou viditeľného svetla, ktorá je väčšia ako priemerný priemer atómu.
Vedci preto používajú akýsi analóg šošoviek, ktoré zaostrujú a zväčšujú obraz v elektrónových mikroskopoch – sú to magnetické pole. Kolísanie magnetického poľa však skresľuje výsledok. Na odstránenie skreslení sa používajú prídavné zariadenia, ktoré korigujú magnetické pole, no zároveň zvyšujú zložitosť konštrukcie elektrónového mikroskopu.
Už skôr fyzici z Cornell University vyvinuli zariadenie Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD), ktoré nahradilo zložitý systém generátorov, ktoré sústreďujú prichádzajúce elektróny jednou malou maticou s rozlíšením 128x128 pixelov, citlivou na jednotlivé elektróny. Každý pixel zaznamenáva uhol odrazu elektrónu; Vedci, ktorí to vedia, pomocou ptykografickej techniky rekonštruujú charakteristiky elektrónov vrátane súradníc bodu, z ktorého boli uvoľnené.
Atómy v najvyššom rozlíšení
David A. Muller a kol. Príroda, 2018.
V lete 2018 sa fyzici rozhodli zlepšiť kvalitu výsledných snímok na doteraz rekordné rozlíšenie. Vedci pripojili list 2D materiálu, sulfidu molybdénu MoS2, k pohyblivému lúču a uvoľnili lúče elektrónov, pričom lúč otočili v rôznych uhloch k zdroju elektrónov. Pomocou EMPAD a ptikografie vedci určili vzdialenosti medzi jednotlivými atómami molybdénu a získali obraz s rekordným rozlíšením 0,39 Å.
„V skutočnosti sme vytvorili najmenší rad na svete,“ vysvetľuje Sol Gruner, jeden z autorov experimentu. Na výslednom obrázku bolo možné rozlíšiť atómy síry s rekordným rozlíšením 0,39 Å. Navyše bolo dokonca možné rozpoznať miesto, kde jeden takýto atóm chýba (označené šípkou).
Atómy síry v rekordnom rozlíšení