Trurl alianza kukamata atomi, kukwangua elektroni kutoka kwao, kanda protoni, ili vidole tu viweze kuzunguka, kuandaa unga wa protoni, kuweka elektroni kuzunguka na - kwa atomi inayofuata; hazikupita hata dakika tano kabla ya kushika kipande cha dhahabu safi mikononi mwake: akampa mdomo wake, akaonja kizuizi kwenye jino na kutikisa kichwa, akasema:
- Na kwa kweli dhahabu, tu siwezi kufukuza atomi kama hizo. Mimi ni mkubwa sana.
- Hakuna, tutakupa vifaa maalum! Trurl akamshawishi.
Stanislav Lem, "Cyberiada"
Je, inawezekana kwa darubini kuona atomi, kuitofautisha na atomi nyingine, kufuatilia uharibifu au uundaji wa kifungo cha kemikali, na kuona jinsi molekuli moja inavyobadilika kuwa nyingine? Ndiyo, ikiwa sio darubini rahisi, lakini nguvu ya atomiki. Au unaweza usiwe mdogo kwa uchunguzi. Tunaishi wakati ambapo darubini ya nguvu ya atomiki sio tu dirisha kwenye ulimwengu mdogo. Leo, kifaa hiki kinaweza kutumika kusonga atomi, kuvunja vifungo vya kemikali, kusoma kikomo cha mkazo wa molekuli moja - na hata kusoma genome ya mwanadamu.
Barua za pixel za Xenon
Haijawa rahisi kila wakati kutazama atomi. Historia ya darubini ya nguvu ya atomiki ilianza mnamo 1979, wakati Gerd Karl Binnig na Heinrich Rohrer, ambao walifanya kazi katika Kituo cha Utafiti cha IBM huko Zurich, walianza kuunda kifaa ambacho kingeruhusu kusoma nyuso zenye azimio la atomiki. Ili kupata kifaa kama hicho, watafiti waliamua kutumia athari ya makutano ya handaki - uwezo wa elektroni kushinda vizuizi vinavyoonekana kutoweza kupitika. Wazo lilikuwa kubainisha nafasi ya atomi katika sampuli kwa kupima nguvu ya mkondo wa tunnel unaotokea kati ya kichunguzi cha kutambaza na uso unaofanyiwa utafiti.
Binnig na Rohrer walifaulu, na waliingia katika historia kama wavumbuzi wa darubini ya skanning (STM), na mwaka wa 1986 walipokea Tuzo la Nobel katika fizikia. Hadubini ya kuchanganua imeleta mapinduzi makubwa katika fizikia na kemia.
Mnamo 1990, Don Eigler na Erhard Schweizer, ambao walifanya kazi katika Kituo cha Utafiti cha IBM huko California, walionyesha kuwa STM inaweza kutumika sio tu kutazama atomi, lakini pia kuzibadilisha. Kwa kutumia kichunguzi cha hadubini ya kuchanganua, waliunda picha inayojulikana zaidi ya mpito wa wanakemia kufanya kazi na atomi moja moja - walipaka herufi tatu zenye atomi 35 za xenon kwenye uso wa nikeli (Mchoro 1).
Binnig hakupumzika - katika mwaka wa kupokea Tuzo la Nobel, pamoja na Christopher Gerber na Calvin Quait, ambaye pia alifanya kazi katika Kituo cha Utafiti cha IBM Zurich, alianza kufanya kazi kwenye kifaa kingine cha kusoma microcosm, bila mapungufu. asili katika STM. Ukweli ni kwamba kwa msaada wa darubini ya skanning haikuwezekana kusoma nyuso za dielectric, lakini waendeshaji tu na semiconductors, na kuchambua mwisho huo, uboreshaji mkubwa ulipaswa kuundwa kati yao na uchunguzi wa darubini. Kutambua kwamba kuunda kifaa kipya ilikuwa rahisi zaidi kuliko kuboresha kilichopo, Binnig, Gerber, na Quait walivumbua hadubini ya nguvu ya atomiki, au AFM. Kanuni ya uendeshaji wake ni tofauti kimsingi: kupata habari juu ya uso, sio sasa inayotokea kati ya uchunguzi wa darubini na sampuli iliyosomwa ambayo hupimwa, lakini thamani ya nguvu zinazovutia zinazotokea kati yao, ambayo ni dhaifu. mwingiliano usio na kemikali - vikosi vya van der Waals.
Mfano wa kwanza wa kufanya kazi wa AFM ulikuwa rahisi. Watafiti walihamisha uchunguzi wa almasi uliounganishwa na sensor inayoweza kubadilika ya micromechanical - cantilever iliyotengenezwa kwa karatasi ya dhahabu juu ya uso wa sampuli (kivutio kinatokea kati ya uchunguzi na atomi, cantilever huinama kulingana na nguvu ya mvuto na kuharibu piezoelectric) . Kiwango cha kupiga cantilever kiliamuliwa kwa kutumia sensorer za piezoelectric - kwa njia sawa, grooves na matuta ya rekodi ya vinyl hubadilishwa kuwa rekodi ya sauti. Muundo wa darubini ya nguvu ya atomiki uliiruhusu kugundua nguvu za kuvutia hadi 10 -18 Newtons. Mwaka mmoja baada ya kuundwa kwa mfano wa kufanya kazi, watafiti walifanikiwa kupata picha ya misaada ya uso wa grafiti na azimio la 2.5 angstroms.
Zaidi ya miongo mitatu ambayo imepita tangu wakati huo, AFM imetumika kusoma kivitendo kitu chochote cha kemikali - kutoka kwa uso wa nyenzo za kauri hadi seli hai na molekuli za kibinafsi, katika hali tuli na yenye nguvu. Microscopy ya nguvu ya atomiki imekuwa kazi ya wanasayansi wa kemia na vifaa, na idadi ya kazi ambayo njia hii inatumika inakua kila wakati (Mchoro 2).
Kwa miaka mingi, watafiti wamegundua hali za masomo ya mawasiliano na yasiyo ya mawasiliano ya vitu kwa kutumia hadubini ya nguvu ya atomiki. Njia ya mawasiliano imeelezwa hapo juu na inategemea mwingiliano wa van der Waals kati ya cantilever na uso. Wakati wa kufanya kazi katika hali isiyo ya mawasiliano, vibrator ya piezo inasisimua oscillations ya probe kwa mzunguko fulani (mara nyingi resonant). Nguvu inayofanya kazi kutoka kwa uso husababisha mabadiliko ya amplitude na awamu ya probe. Licha ya vikwazo vingine vya njia isiyo ya kuwasiliana (kwanza kabisa, unyeti kwa kelele ya nje), ni njia hii ambayo haijumuishi ushawishi wa uchunguzi kwenye kitu kilicho chini ya utafiti, ambayo ina maana kwamba inavutia zaidi kwa maduka ya dawa.
Hai kwa uchunguzi, kutafuta miunganisho
Microscopy ya nguvu ya atomiki isiyo ya mawasiliano ilifanyika mnamo 1998 kutokana na kazi ya mwanafunzi wa Binnig, Franz Josef Gissible. Ni yeye aliyependekeza kutumia oscillator ya kumbukumbu ya quartz ya masafa thabiti kama cantilever. Miaka 11 baadaye, watafiti kutoka kwa maabara ya IBM huko Zurich walifanya marekebisho mengine ya AFM isiyo ya mawasiliano: jukumu la sensor ya uchunguzi haikuchezwa na fuwele kali ya almasi, lakini na molekuli moja - monoxide ya kaboni. Hii iliruhusu mpito kwa azimio ndogo, kama ilivyoonyeshwa na Leo Gross kutoka kitengo cha Zurich cha IBM. Mnamo 2009, kwa msaada wa AFM, hakufanya atomi kuonekana tena, lakini vifungo vya kemikali, baada ya kupata "picha" ya wazi na isiyoweza kusomeka kwa molekuli ya pentacene (Mchoro 3; Sayansi, 2009, 325, 5944, 1110-1114, doi: 10.1126 / sayansi.1176210).
Akiwa na hakika kwamba AFM inaweza kuona dhamana ya kemikali, Leo Gross aliamua kwenda mbali zaidi na kutumia darubini ya nguvu ya atomiki kupima urefu wa dhamana na maagizo - vigezo muhimu vya kuelewa muundo wa kemikali, na kwa hiyo sifa za dutu.
Kumbuka kwamba tofauti katika maagizo ya dhamana inaonyesha maadili tofauti ya wiani wa elektroni na umbali tofauti wa interatomic kati ya atomi mbili (zaidi rahisi, dhamana mbili ni fupi kuliko moja). Katika ethane, utaratibu wa dhamana ya kaboni-kaboni ni moja, katika ethilini - mbili, na katika molekuli ya kunukia ya classical - benzene - utaratibu wa dhamana ya kaboni-kaboni ni kubwa kuliko moja, lakini chini ya mbili, na inachukuliwa kuwa sawa. hadi 1.5.
Ni vigumu zaidi kubainisha mpangilio wa dhamana unapotoka kwa mifumo rahisi ya kunukia hadi mifumo ya pete iliyopangwa kwa wingi au kubwa ya polikonde. Kwa hivyo, utaratibu wa vifungo katika fullerenes yenye kufupishwa kwa pete za kaboni tano na sita zinaweza kuchukua thamani yoyote kutoka kwa moja hadi mbili. Kutokuwa na uhakika sawa ni asili ya kinadharia katika misombo ya kunukia ya polycyclic.
Mnamo mwaka wa 2012, Leo Gross, pamoja na Fabian Monn, walionyesha kuwa darubini ya nguvu ya atomiki iliyo na uchunguzi wa chuma usio na mawasiliano iliyorekebishwa na monoxide ya kaboni inaweza kupima tofauti katika usambazaji wa malipo ya atomi na umbali wa interatomic - ambayo ni, vigezo vinavyohusishwa na utaratibu wa dhamana ( Sayansi, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126 / sayansi.1225621).
Ili kufanya hivyo, walisoma aina mbili za vifungo vya kemikali katika fullerene - dhamana ya kaboni-kaboni, ya kawaida kwa pete mbili za kaboni zenye wanachama sita za C 60 fullerene, na dhamana ya kaboni-kaboni, ya kawaida kwa wanachama watano na sita. pete. Hadubini ya nguvu ya atomiki ilionyesha kuwa ufupishaji wa pete zenye washiriki sita husababisha muunganisho ambao ni mfupi na wenye mpangilio wa juu kuliko ufinyu wa vipande vya mzunguko C 6 na C 5. Utafiti wa vipengele vya kuunganisha kemikali katika hexabenzocoronene, ambapo mizunguko sita zaidi ya C 6 iko kwa ulinganifu karibu na mzunguko wa kati wa C 6, ilithibitisha matokeo ya modeli ya kemikali ya quantum, kulingana na ambayo utaratibu wa vifungo vya C - C vya pete ya kati ( katika Mchoro 4, barua i) lazima iwe kubwa zaidi kuliko vifungo vinavyounganisha pete hii na mizunguko ya pembeni (katika Mchoro 4, barua j) Matokeo sawia yalipatikana kwa hidrokaboni yenye kunukia changamani ya polycyclic iliyo na pete tisa za wanachama sita.
Maagizo ya dhamana na umbali wa interatomic, bila shaka, yalikuwa ya manufaa kwa wanakemia wa kikaboni, lakini ilikuwa muhimu zaidi kwa wale ambao walihusika katika nadharia ya vifungo vya kemikali, kutabiri reactivity, na kujifunza taratibu za athari za kemikali. Walakini, wanakemia wa syntetisk na wataalam katika utafiti wa muundo wa misombo ya asili walikuwa katika mshangao: iliibuka kuwa darubini ya nguvu ya atomiki inaweza kutumika kuamua muundo wa molekuli kwa njia sawa na spectroscopy ya NMR au IR. Aidha, inatoa jibu lisilo na utata kwa maswali ambayo njia hizi haziwezi kukabiliana nazo.
Kutoka kwa upigaji picha hadi sinema
Mnamo mwaka wa 2010, Leo Gross na Rainer Ebel waliweza kuanzisha bila shaka muundo wa kiwanja cha asili - cephalandol A, iliyotengwa na bakteria. Dermacoccus abyssi(Kemia ya asili, 2010, 2, 821-825, doi: 10.1038 / nchem.765). Muundo wa cephalandol A hapo awali ulianzishwa kwa kutumia spectrometry ya wingi; hata hivyo, uchambuzi wa spectra ya NMR ya kiwanja hiki haukutoa jibu lisilo na utata kwa swali la muundo wake: lahaja nne ziliwezekana. Kwa kutumia darubini ya nguvu ya atomiki, watafiti walitenga mara moja miundo miwili kati ya minne, na wakafanya chaguo sahihi kati ya miundo miwili iliyobaki kwa kulinganisha matokeo yaliyopatikana kutoka kwa AFM na muundo wa kemikali wa quantum. Kazi iligeuka kuwa ngumu: tofauti na pentacene, fullerene na coronenes, cephalandol A haina tu atomi za kaboni na hidrojeni, zaidi ya hayo, molekuli hii haina ndege ya ulinganifu (Mchoro 5) - lakini tatizo hilo pia lilitatuliwa.
Uthibitisho mwingine kwamba darubini ya nguvu ya atomiki inaweza kutumika kama zana ya uchambuzi ulitoka kwa kikundi cha Oskar Kustanz, ambaye wakati huo alifanya kazi katika Shule ya Uhandisi katika Chuo Kikuu cha Osaka. Alionyesha jinsi ya kutumia AFM kutofautisha atomi ambazo hutofautiana kutoka kwa kila mmoja chini ya kaboni na hidrojeni ( Asili, 2007, 446, 64-67, doi: 10.1038 / nature05530). Kostanz alichunguza uso wa aloi inayojumuisha silicon, bati na risasi yenye maudhui yanayojulikana ya kila kipengele. Kama matokeo ya majaribio mengi, aligundua kuwa nguvu inayotokea kati ya ncha ya uchunguzi wa AFM na atomi tofauti ni tofauti (Mchoro 6). Kwa mfano, mwingiliano wenye nguvu zaidi ulionekana wakati wa kuchunguza silicon, na dhaifu zaidi wakati wa kuchunguza risasi.
Inachukuliwa kuwa katika siku zijazo, matokeo ya darubini ya nguvu ya atomiki kwa utambuzi wa atomi ya mtu binafsi itashughulikiwa kwa njia sawa na matokeo ya NMR - kwa kulinganisha na maadili ya jamaa. Kwa kuwa muundo halisi wa sindano ya uchunguzi ni ngumu kudhibiti, thamani kamili ya nguvu kati ya probe na atomi anuwai ya uso inategemea hali ya majaribio na chapa ya kifaa, lakini uwiano wa nguvu hizi kwa muundo na sura yoyote ya kifaa. probe inabaki mara kwa mara kwa kila kipengele cha kemikali.
Mnamo 2013, mifano ya kwanza ya kutumia AFM kupata picha za molekuli ya mtu binafsi kabla na baada ya athari za kemikali ilionekana: "photoset" imeundwa kutoka kwa bidhaa na wa kati wa athari, ambayo inaweza kuhaririwa kama aina ya filamu ya maandishi. Sayansi, 2013, 340, 6139, 1434-1437; doi: 10.1126 / sayansi.1238187).
Felix Fischer na Michael Crommey kutoka Chuo Kikuu cha California huko Berkeley walitumia fedha kwenye uso 1,2-bis [(2-ethynylphenyl) ethinyl] benzene, ilifanya taswira ya molekuli na kupasha uso joto ili kuanzisha mzunguko wa baisikeli. Nusu ya molekuli asili iligeuka kuwa miundo ya kunukia ya polycyclic, inayojumuisha pete tano za wanachama sita na mbili za tano tano. Robo nyingine ya molekuli iliunda miundo inayojumuisha pete nne za wanachama sita zilizounganishwa kupitia mzunguko mmoja wa wanachama wanne na pete mbili za tano (Mchoro 7). Bidhaa zingine zilikuwa miundo ya oligomeric na, kwa kiasi kidogo, isoma za polycyclic.
Matokeo haya yaliwashangaza watafiti mara mbili. Kwanza, bidhaa kuu mbili tu ziliundwa wakati wa majibu. Pili, muundo wao ulikuwa wa kushangaza. Fischer anabainisha kuwa uvumbuzi wa kemikali na uzoefu ulimruhusu kuteka kadhaa ya bidhaa zinazowezekana za athari, lakini hakuna hata mmoja wao aliyelingana na misombo iliyounda juu ya uso. Inawezekana, mwendo wa michakato ya kemikali ya atypical iliwezeshwa na mwingiliano wa vitu vya awali na substrate.
Kwa kawaida, baada ya maendeleo makubwa ya kwanza katika utafiti wa vifungo vya kemikali, watafiti wengine waliamua kutumia AFM kuchunguza mwingiliano dhaifu na usio na utafiti wa intermolecular, hasa, vifungo vya hidrojeni. Hata hivyo, kazi katika eneo hili ni mwanzo tu, na matokeo yanapingana. Kwa hivyo, katika machapisho mengine inaripotiwa kuwa hadubini ya nguvu ya atomiki ilifanya iwezekane kutazama dhamana ya hidrojeni ( Sayansi, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126 / science.1242603), kwa wengine wanasema kuwa haya ni mabaki tu kutokana na vipengele vya muundo wa kifaa, na matokeo ya majaribio yanahitaji kufasiriwa kwa usahihi zaidi ( Barua za Mapitio ya Kimwili, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103 / PhysRevLett.113.186102) Labda jibu la mwisho kwa swali la ikiwa inawezekana kuchunguza hidrojeni na mwingiliano mwingine wa intermolecular kwa kutumia microscopy ya nguvu ya atomiki itapatikana tayari katika muongo huu. Ili kufanya hivyo, ni muhimu angalau mara kadhaa kuongeza azimio la AFM na kujifunza jinsi ya kupata picha bila kuingiliwa ( Tathmini ya Kimwili B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103 / PhysRevB.90.085421).
Mchanganyiko wa molekuli moja
Katika mikono ya ustadi, STM na AFM zote mbili hubadilishwa kutoka kwa vifaa vinavyoweza kusoma mada hadi vifaa vinavyoweza kubadilisha muundo wa maada. Kwa msaada wa vifaa hivi, tayari imewezekana kupata "maabara ndogo zaidi ya kemikali", ambayo substrate hutumiwa badala ya chupa, na molekuli ya mtu binafsi badala ya moles au millimoles ya reactants.
Kwa mfano, mnamo 2016, timu ya kimataifa ya wanasayansi inayoongozwa na Takashi Kumagai ilitumia hadubini ya nguvu ya atomiki isiyo ya mawasiliano kuhamisha molekuli ya porphysene kutoka kwa fomu moja hadi nyingine. Kemia ya asili, 2016, 8, 935-940, doi: 10.1038 / nchem.2552). Porphycene inaweza kuzingatiwa kama marekebisho ya porphyrin, mzunguko wa ndani ambao una atomi nne za nitrojeni na atomi mbili za hidrojeni. Mitetemo ya probe ya AFM ilihamisha nishati ya kutosha kwa molekuli ya porphycene ili kuhamisha hidrojeni hizi kutoka atomi moja ya nitrojeni hadi nyingine, na matokeo yalikuwa "picha ya kioo" ya molekuli hii (Mchoro 8).
Kikundi kilichoongozwa na Leo Gross kisichoweza kushindwa pia kilionyesha kuwa inawezekana kuanzisha majibu ya molekuli moja - walibadilisha dibromoanthracene kuwa diyne ya cyclic ya wanachama kumi (Mchoro 9; Kemia ya asili, 2015, 7, 623-628, doi: 10.1038 / nchem.2300). Tofauti na Kumagai et al, walitumia darubini ya skanning ili kuwezesha molekuli, na matokeo ya majibu yalifuatiliwa kwa darubini ya nguvu ya atomiki.
Matumizi ya pamoja ya darubini ya skanning na darubini ya nguvu ya atomiki hata ilifanya iwezekane kupata molekuli ambayo haiwezi kuunganishwa kwa kutumia mbinu na mbinu za kitambo. Nanoteknolojia ya asili, 2017, 12, 308-311, doi: 10.1038 / nnano.2016.305). Hii ni triangulene, biradical isiyo na utulivu ya kunukia, kuwepo kwa ambayo ilitabiriwa miongo sita iliyopita, lakini majaribio yote ya awali hayakufanikiwa (Mchoro 10). Wanakemia kutoka kundi la Niko Pavlicek walipata kiwanja kilichohitajika kwa kuondoa atomi mbili za hidrojeni kutoka kwa mtangulizi wake kwa kutumia STM na kuthibitisha matokeo ya syntetisk kwa kutumia AFM.
Inachukuliwa kuwa idadi ya kazi zinazotolewa kwa matumizi ya hadubini ya nguvu ya atomiki katika kemia ya kikaboni itaendelea kukua. Hivi sasa, wanasayansi zaidi na zaidi wanajaribu kurudia juu ya uso athari ambazo zinajulikana kwa "kemia ya suluhisho". Lakini, labda, kemia ya syntetisk itaanza kuzaliana katika suluhisho majibu ambayo hapo awali yalifanywa kwenye uso kwa kutumia AFM.
Kutoka kwa wasio hai hadi wanaoishi
Cantilevers na probes ya darubini ya nguvu ya atomiki inaweza kutumika sio tu kwa utafiti wa uchambuzi au usanisi wa molekuli za kigeni, lakini pia kwa kutatua shida zilizotumika. Tayari kuna kesi zinazojulikana za matumizi ya AFM katika dawa, kwa mfano, kwa utambuzi wa mapema wa saratani, na hapa mwanzilishi ni Christopher Gerber sawa, ambaye alikuwa na mkono katika maendeleo ya kanuni ya microscopy ya nguvu ya atomiki na uumbaji. ya AFM.
Kwa hivyo, Gerber aliweza kufundisha AFM kuamua mabadiliko ya uhakika ya asidi ya ribonucleic katika melanoma (kwenye nyenzo zilizopatikana kama matokeo ya biopsy). Kwa hili, cantilever ya dhahabu ya darubini ya nguvu ya atomiki ilibadilishwa na oligonucleotides, ambayo inaweza kuingia katika mwingiliano wa intermolecular na RNA, na nguvu ya mwingiliano huu bado inaweza kupimwa kutokana na athari ya piezoelectric. Unyeti wa sensor ya AFM ni kubwa sana kwamba tayari wanajaribu kuitumia kusoma ufanisi wa njia maarufu ya uhariri wa genome ya CRISPR-Cas9. Inaleta pamoja teknolojia iliyoundwa na vizazi tofauti vya watafiti.
Kwa kufafanua nadharia ya moja ya nadharia za kisiasa, tunaweza kusema kwamba tayari tunaona uwezekano usio na mwisho na kutokamilika kwa hadubini ya nguvu ya atomiki na hatuwezi kufikiria kile kinachotungojea mbeleni kuhusiana na maendeleo zaidi ya teknolojia hizi. Lakini tayari leo, darubini ya skanning na darubini ya nguvu ya atomiki hutuwezesha kuona na kugusa atomi. Tunaweza kusema kwamba hii sio tu ugani wa macho yetu, kuruhusu sisi kuangalia katika microcosm ya atomi na molekuli, lakini pia macho mapya, vidole vipya vinavyoweza kugusa na kudhibiti microcosm hii.
Atomu (kutoka kwa Kigiriki "isiyogawanyika") ni mara moja chembe ndogo zaidi ya dutu ya ukubwa wa microscopic, sehemu ndogo zaidi ya kipengele cha kemikali ambacho hubeba sifa zake. Vijenzi vya atomi - protoni, neutroni, elektroni - hazina tena sifa hizi na huunda pamoja. Atomi za covalent huunda molekuli. Wanasayansi husoma sifa za atomi, na ingawa tayari wamesoma vizuri, hawakose nafasi ya kupata kitu kipya - haswa, katika uwanja wa kuunda vifaa vipya na atomi mpya (kuendelea jedwali la upimaji). 99.9% ya wingi wa atomi huanguka kwenye kiini.
Usiogopeshwe na kichwa cha habari. Shimo jeusi, lililoundwa kwa bahati mbaya na wafanyikazi wa Maabara ya Kitaifa ya Kuharakisha ya SLAC, liligeuka kuwa atomi moja tu kwa saizi, kwa hivyo hakuna kinachotishia. Na jina "shimo nyeusi" linaelezea tu jambo lililozingatiwa na watafiti. Tumekuambia mara kwa mara kuhusu laser ya X-ray yenye nguvu zaidi duniani, inayoitwa
Kwa kweli, mwandishi wa RTCh katika "tafakari" zake alienda mbali na kusababisha mabishano mazito, ambayo ni, data ya majaribio ya wanasayansi wa Kijapani juu ya kupiga picha ya atomi ya hidrojeni, ambayo ilijulikana mnamo Novemba 4, 2010. Picha hiyo inaonyesha wazi umbo la atomiki, ambalo linathibitisha uwazi na pande zote za atomi: "Kundi la wanasayansi na wataalamu kutoka Chuo Kikuu cha Tokyo kwa mara ya kwanza ulimwenguni walipiga picha ya atomi moja ya hidrojeni - nyepesi na ndogo zaidi ya atomi zote, kulingana na mashirika ya habari.
Picha ilichukuliwa kwa kutumia moja ya teknolojia za hivi karibuni - darubini maalum ya skanning ya elektroni. Kwa msaada wa kifaa hiki, pamoja na atomi ya hidrojeni, atomi moja ya vanadium ilipigwa picha.
Kipenyo cha atomi ya hidrojeni ni moja ya bilioni kumi ya mita. Hapo awali iliaminika kuwa karibu haiwezekani kupiga picha na vifaa vya kisasa. Hidrojeni ndiyo dutu inayopatikana kwa wingi zaidi. Sehemu yake katika Ulimwengu mzima ni takriban 90%.
Kulingana na wanasayansi, chembe zingine za msingi zinaweza kukamatwa kwa njia ile ile. "Sasa tunaweza kuona atomi zote zinazounda ulimwengu wetu," alisema Profesa Yuichi Ikuhara. "Hii ni mafanikio ya aina mpya za uzalishaji, wakati katika siku zijazo itawezekana kufanya maamuzi katika kiwango cha atomi na molekuli za mtu binafsi."
Atomi ya hidrojeni, rangi za kawaida
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Kundi la wanasayansi kutoka Ujerumani, Ugiriki, Uholanzi, Marekani na Ufaransa walichukua picha za atomi ya hidrojeni. Picha hizi, zilizopatikana kwa darubini ya photoionization, zinaonyesha usambazaji wa wiani wa elektroni, ambayo inafanana kabisa na matokeo ya mahesabu ya kinadharia. Kazi ya kikundi cha kimataifa imewasilishwa kwenye kurasa za Barua za Mapitio ya Kimwili.
Kiini cha njia ya upigaji picha ni pamoja na ionization ya mpangilio wa atomi za hidrojeni, ambayo ni, katika kizuizi cha elektroni kutoka kwao kwa sababu ya miale ya umeme. Elektroni zilizotenganishwa huelekezwa kwa tumbo nyeti kupitia pete iliyo na chaji chanya, na nafasi ya elektroni wakati wa mgongano na matrix huonyesha nafasi ya elektroni wakati wa ionization ya atomi. Pete iliyochajiwa, ambayo hupotosha elektroni kwa upande, hufanya kama lenzi na kwa msaada wake picha inakuzwa mara milioni.
Njia hii, iliyoelezwa mwaka wa 2004, ilikuwa tayari kutumika kuchukua "picha" za molekuli binafsi, lakini wanafizikia walikwenda mbali zaidi na kutumia darubini ya photoionization kujifunza atomi za hidrojeni. Kwa kuwa athari ya elektroni moja inatoa nukta moja tu, watafiti walikusanya elektroni elfu 20 kutoka kwa atomi tofauti na kuunda picha ya wastani ya ganda la elektroni.
Kwa mujibu wa sheria za mechanics ya quantum, elektroni katika atomi haina nafasi yoyote ya uhakika yenyewe. Wakati tu atomi inaingiliana na mazingira ya nje, elektroni yenye uwezekano fulani inaonyeshwa katika eneo fulani la kiini cha atomiki: eneo ambalo uwezekano wa kuchunguza elektroni ni wa juu huitwa shell ya elektroni. Picha mpya zinaonyesha tofauti kati ya atomi za hali tofauti za nishati; wanasayansi waliweza kuonyesha kwa macho umbo la makombora ya elektroni yaliyotabiriwa na mechanics ya quantum.
Na vyombo vingine, skanning darubini ya tunnel, atomi za mtu binafsi haziwezi kuonekana tu, bali pia zimehamishwa kwenye eneo linalohitajika. Karibu mwezi mmoja uliopita, mbinu hii iliruhusu wahandisi wa IBM kuchora katuni, kila sura ambayo ina atomi: majaribio kama haya ya kisanii hayana athari yoyote ya vitendo, lakini yanaonyesha uwezekano wa kimsingi wa kudhibiti atomi. Kwa madhumuni yaliyotumika, sio mkusanyiko wa atomiki tena ambao hutumiwa, lakini michakato ya kemikali yenye kujipanga kwa muundo wa nano au kizuizi cha kibinafsi cha ukuaji wa tabaka za monatomiki kwenye substrate.
Kama unavyojua, kila kitu kwenye Ulimwengu kina atomi. Atomu ni kitengo kidogo cha maada ambacho hubeba sifa zake. Kwa upande wake, muundo wa atomi umeundwa na utatu wa uchawi wa microparticles: protoni, neutroni na elektroni.
Aidha, kila moja ya microparticles ni ya ulimwengu wote. Hiyo ni, huwezi kupata protoni mbili tofauti, neutroni au elektroni duniani. Wote wanafanana kabisa. Na mali ya atomi itategemea tu juu ya muundo wa kiasi cha microparticles hizi katika muundo wa jumla wa atomi.
Kwa mfano, muundo wa atomi ya hidrojeni hujumuisha protoni moja na elektroni moja. Inayofuata kwa uchangamano, atomi ya heliamu imeundwa na protoni mbili, neutroni mbili, na elektroni mbili. Atomu ya lithiamu imeundwa na protoni tatu, neutroni nne na elektroni tatu, nk.
Muundo wa atomiki (kutoka kushoto kwenda kulia): hidrojeni, heliamu, lithiamu
Atomi huchanganyika katika molekuli, na molekuli - katika vitu, madini na viumbe. Molekuli ya DNA, ambayo ni msingi wa viumbe vyote vilivyo hai, ni muundo uliokusanywa kutoka kwa matofali matatu ya kichawi ya ulimwengu kama jiwe lililolala barabarani. Ingawa muundo huu ni ngumu zaidi.
Mambo ya kushangaza zaidi yanafunuliwa tunapojaribu kuangalia kwa karibu uwiano na muundo wa mfumo wa atomiki. Inajulikana kuwa atomi ina kiini na elektroni zinazozunguka kando ya trajectory inayoelezea tufe. Hiyo ni, haiwezi hata kuitwa harakati kwa maana ya kawaida ya neno. Elektroni hupatikana kila mahali na mara moja ndani ya nyanja hii, na kuunda wingu la elektroni karibu na kiini na kutengeneza uwanja wa sumakuumeme.
Uwakilishi wa kimkakati wa muundo wa atomi
Kiini cha atomi kina protoni na neutroni, na karibu misa yote ya mfumo imejilimbikizia ndani yake. Lakini wakati huo huo, kiini yenyewe ni ndogo sana kwamba ikiwa unaongeza radius yake kwa kiwango cha 1 cm, basi radius ya muundo wote wa atomiki itafikia mamia ya mita. Kwa hivyo, kila kitu tunachokiona kama maada mnene kina zaidi ya 99% ya miunganisho ya nishati kati ya chembe za mwili na chini ya 1% ya maumbo yenyewe.
Lakini ni aina gani hizi za kimwili? Je, zimeundwa na nini, na ni nyenzo gani? Ili kujibu maswali haya, hebu tuangalie kwa karibu miundo ya protoni, neutroni na elektroni. Kwa hiyo, tunashuka hatua moja zaidi ndani ya kina cha microworld - kwa kiwango cha chembe za subatomic.
Je, elektroni inajumuisha nini?
Chembe ndogo zaidi katika atomi ni elektroni. Elektroni ina wingi, lakini haina kiasi. Kwa mtazamo wa kisayansi, elektroni haijumuishi chochote, lakini ni hatua isiyo na muundo.
Elektroni haiwezi kuonekana chini ya darubini. Inazingatiwa tu kwa namna ya wingu la elektroni, ambalo linaonekana kama tufe yenye ukungu karibu na kiini cha atomiki. Wakati huo huo, haiwezekani kusema kwa usahihi ambapo elektroni iko wakati wa wakati. Vifaa vinaweza kukamata sio chembe yenyewe, lakini ufuatiliaji wake wa nishati tu. Kiini cha elektroni hakijaingizwa katika dhana ya jambo. Badala yake, ni kama aina ya umbo tupu ambalo lipo tu katika mwendo na kutokana na mwendo.
Hadi sasa, hakuna muundo umepatikana katika elektroni. Ni chembe sawa na nukta kama kiasi cha nishati. Kwa kweli, elektroni ni nishati, hata hivyo, ni aina yake imara zaidi kuliko ile ambayo inawakilishwa na picha za mwanga.
Kwa sasa, elektroni inachukuliwa kuwa haiwezi kutenganishwa. Hii inaeleweka, kwa sababu haiwezekani kugawanya kile ambacho hakina kiasi. Walakini, katika nadharia tayari kuna maendeleo, kulingana na ambayo muundo wa elektroni una utatu wa quasiparticles kama vile:
- Orbiton - ina habari kuhusu nafasi ya orbital ya elektroni;
- Spinon inawajibika kwa spin au torque;
- Holon - hubeba taarifa kuhusu malipo ya elektroni.
Walakini, kama tunavyoweza kuona, chembechembe zenye maada hazina kitu chochote kinachofanana, na hubeba habari moja tu.
Picha za atomi za vitu tofauti kwenye darubini ya elektroni
Inashangaza, elektroni inaweza kunyonya kiasi cha nishati, kama vile mwanga au joto. Katika kesi hii, atomi huenda kwa kiwango kipya cha nishati, na mipaka ya wingu la elektroni hupanua. Pia hutokea kwamba nishati iliyoingizwa na elektroni ni kubwa sana kwamba inaweza kuruka nje ya mfumo wa atomiki, na kisha kuendelea na mwendo wake kama chembe huru. Wakati huo huo, hufanya kama picha ya mwanga, yaani, inaonekana kuacha kuwa chembe na huanza kudhihirisha mali ya wimbi. Hii imethibitishwa kwa majaribio.
Jaribio la Jung
Katika kipindi cha majaribio, mkondo wa elektroni ulielekezwa kwenye skrini na slits mbili zilizokatwa kupitia hiyo. Kupitia nafasi hizi, elektroni ziligongana na uso wa mwingine - makadirio - skrini, na kuacha alama yao juu yake. Kama matokeo ya "mlipuko" kama huo na elektroni, muundo wa kuingiliwa ulionekana kwenye skrini ya makadirio, sawa na ile ambayo ingeonekana ikiwa mawimbi, lakini sio chembe, yangepitia milipuko miwili.
Mfano kama huo unatokea kwa sababu ya ukweli kwamba wimbi, linalopita kati ya inafaa mbili, limegawanywa katika mawimbi mawili. Kama matokeo ya harakati zaidi, mawimbi yanaingiliana, na katika maeneo mengine uchafu wao wa pande zote hufanyika. Kama matokeo, tunapata viboko vingi kwenye skrini ya makadirio, badala ya moja kama ingekuwa ikiwa elektroni ingekuwa kama chembe.
Muundo wa kiini cha atomi: protoni na neutroni
Protoni na neutroni huunda kiini cha atomi. Na licha ya ukweli kwamba msingi unachukua chini ya 1% ya jumla ya kiasi, ni katika muundo huu kwamba karibu molekuli mzima wa mfumo hujilimbikizia. Lakini kwa gharama ya muundo wa protoni na neutroni, wanafizikia waligawanywa, na kwa sasa kuna nadharia mbili mara moja.
- Nadharia # 1 - Kawaida
Standard Model inasema kwamba protoni na neutroni zinaundwa na quark tatu zilizounganishwa na wingu la gluons. Quarks ni chembe za uhakika, kama vile quanta na elektroni. Na gluons ni chembe za kawaida zinazohakikisha mwingiliano wa quarks. Walakini, hakuna quarks au gluons hazijapatikana katika maumbile, kwa hivyo mfano huu unajitolea kwa ukosoaji mkali.
- Nadharia # 2 - Mbadala
Lakini kulingana na nadharia mbadala ya uwanja uliounganishwa, uliotengenezwa na Einstein, protoni, kama nyutroni, kama chembe nyingine yoyote ya ulimwengu wa mwili, ni uwanja wa sumakuumeme unaozunguka kwa kasi ya mwanga.
Sehemu za sumakuumeme za binadamu na sayari
Je, ni kanuni gani za muundo wa atomi?
Kila kitu ulimwenguni - nyembamba na mnene, kioevu, kigumu na cha gesi - ni majimbo ya nishati ya nyanja nyingi ambazo huingia kwenye nafasi ya Ulimwengu. Kiwango cha juu cha nishati kwenye shamba, ni nyembamba na haionekani sana. Kiwango cha chini cha nishati, ni imara zaidi na kinachoonekana. Katika muundo wa atomi, kama katika muundo wa kitengo kingine chochote cha Ulimwengu, kuna mwingiliano wa nyanja kama hizo - tofauti katika msongamano wa nishati. Inageuka kuwa jambo ni udanganyifu tu wa akili.
Wanafizikia kutoka Marekani waliweza kupiga picha atomi moja kwa moja na azimio la rekodi, ripoti ya Day.Az ikirejelea Vesti.ru
Wanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Cornell nchini Marekani walifanikiwa kunasa atomi moja moja kwenye picha yenye azimio la rekodi - chini ya nusu ya angstrom (0.39 Å). Picha za awali zilikuwa na azimio la chini mara mbili - 0.98 Å.
Hadubini zenye nguvu za elektroni zinazoweza kuona atomi zimekuwepo kwa nusu karne, lakini azimio lao ni mdogo na urefu wa wimbi la mwanga unaoonekana, ambao ni mkubwa kuliko kipenyo cha wastani cha atomi.
Kwa hiyo, wanasayansi hutumia aina ya analog ya lenses zinazozingatia na kukuza picha katika microscopes ya elektroni - ni uwanja wa magnetic. Hata hivyo, kushuka kwa thamani katika uwanja wa magnetic kupotosha matokeo. Ili kuondoa upotovu, vifaa vya ziada hutumiwa vinavyorekebisha shamba la sumaku, lakini wakati huo huo huongeza ugumu wa muundo wa darubini ya elektroni.
Hapo awali, wanafizikia katika Chuo Kikuu cha Cornell walitengeneza kifaa cha Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD), na kuchukua nafasi ya mfumo changamano wa jenereta unaozingatia elektroni zinazoingia na matrix moja ndogo yenye azimio la saizi 128x128, nyeti kwa elektroni binafsi. Kila pixel inarekodi angle ya kutafakari ya elektroni; Kuijua, wanasayansi, kwa kutumia mbinu ya ptycographic, hujenga upya sifa za elektroni, ikiwa ni pamoja na kuratibu za uhakika kutoka ambapo ilitolewa.
Atomi katika azimio la juu zaidi
David A. Muller et al. Asili, 2018.
Katika majira ya joto ya 2018, wanafizikia waliamua kuboresha ubora wa picha zinazosababisha azimio la rekodi hadi sasa. Wanasayansi waliambatanisha karatasi ya nyenzo za 2D, molybdenum sulfide MoS2, kwenye boriti inayoweza kusongeshwa, na kutoa mihimili ya elektroni, kugeuza boriti katika pembe tofauti hadi chanzo cha elektroni. Kwa kutumia EMPAD na ptykografia, wanasayansi waliamua umbali kati ya atomi za molybdenum binafsi na kupata picha yenye azimio la rekodi la 0.39 Å.
"Kwa kweli, tumeunda safu ndogo zaidi ulimwenguni," anaelezea Sol Gruner, mmoja wa waandishi wa jaribio hilo. Katika picha iliyosababisha, iliwezekana kutambua atomi za sulfuri na azimio la rekodi la 0.39 Å. Zaidi ya hayo, iliwezekana hata kutambua mahali ambapo atomi moja kama hiyo haipo (iliyoonyeshwa kwa mshale).
Atomi za sulfuri katika azimio la rekodi