ภาพถ่ายอะตอมและโมเลกุล ภาพแรกของโครงสร้างวงโคจรของอะตอมไฮโดรเจน

Trurl เริ่มจับอะตอม ขูดอิเล็กตรอนออกจากพวกมัน นวดโปรตอนจนกระทั่งมีเพียงนิ้วของเขาสั่นไหว เตรียมแป้งโปรตอนที่เตรียมไว้ วางอิเล็กตรอนรอบ ๆ มัน และ - สำหรับอะตอมถัดไป เวลาผ่านไปไม่ถึงห้านาทีก่อนที่เขาจะถือแท่งทองคำบริสุทธิ์อยู่ในมือ เขายื่นมันไปที่ปากกระบอกปืนของเธอ แล้วเธอก็ลองสวมบล็อกบนฟันของเธอแล้วพยักหน้าแล้วพูดว่า:
- และแท้จริงแล้วมันคือทองคำ แต่ฉันไม่สามารถไล่อะตอมแบบนั้นได้ ฉันใหญ่เกินไป
- ไม่เป็นไร เราจะมอบอุปกรณ์พิเศษให้กับคุณ! - ทรูลชักชวนเขา

สตานิสลาฟ เลม, ไซเบอร์เรียด

เป็นไปได้ไหมที่ใช้กล้องจุลทรรศน์เพื่อดูอะตอม แยกอะตอมออกจากอะตอมอื่น สังเกตการทำลายหรือการก่อตัวของพันธะเคมี และดูว่าโมเลกุลหนึ่งเปลี่ยนไปเป็นอีกโมเลกุลได้อย่างไร ใช่ ถ้าไม่ใช่กล้องจุลทรรศน์ธรรมดา แต่เป็นแรงอะตอม และคุณไม่จำเป็นต้องจำกัดตัวเองอยู่แค่การสังเกต เราอยู่ในช่วงเวลาที่กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมไม่ได้เป็นเพียงหน้าต่างสู่โลกใบเล็กอีกต่อไป ปัจจุบัน เครื่องมือนี้สามารถใช้ในการเคลื่อนย้ายอะตอม ทำลายพันธะเคมี ศึกษาขีดจำกัดการยืดตัวของโมเลกุลเดี่ยว และแม้กระทั่งศึกษาจีโนมมนุษย์

ตัวอักษรที่ทำจากพิกเซลซีนอน

การดูอะตอมไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป ประวัติความเป็นมาของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมเริ่มต้นขึ้นในปี 1979 เมื่อ Gerd Karl Binnig และ Heinrich Rohrer ซึ่งทำงานที่ IBM Research Center ในเมืองซูริก ได้เริ่มสร้างเครื่องมือที่ช่วยให้สามารถศึกษาพื้นผิวที่มีความละเอียดของอะตอมได้ นักวิจัยได้ตัดสินใจใช้เอฟเฟกต์การขุดอุโมงค์ ซึ่งเป็นความสามารถของอิเล็กตรอนในการเอาชนะอุปสรรคที่ดูเหมือนจะผ่านเข้าไปไม่ได้ แนวคิดนี้คือการกำหนดตำแหน่งของอะตอมในตัวอย่างโดยการวัดความแรงของกระแสในอุโมงค์ที่เกิดขึ้นระหว่างโพรบสแกนกับพื้นผิวที่กำลังศึกษา

Binnig และ Rohrer ประสบความสำเร็จ และพวกเขาลงไปในประวัติศาสตร์ในฐานะผู้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกน (STM) และในปี 1986 พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนได้ปฏิวัติวงการฟิสิกส์และเคมีอย่างแท้จริง

ในปี 1990 Don Eigler และ Erhard Schweitzer ซึ่งทำงานที่ IBM Research Center ในแคลิฟอร์เนีย แสดงให้เห็นว่า STM สามารถนำมาใช้ไม่เพียงแต่ในการสังเกตอะตอมเท่านั้น แต่ยังใช้ในการควบคุมอะตอมอีกด้วย พวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนเพื่อสร้างภาพที่ได้รับความนิยมมากที่สุดซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของการเปลี่ยนผ่านของนักเคมีไปสู่การทำงานกับอะตอมแต่ละอะตอม โดยพวกเขาวาดภาพตัวอักษรสามตัวบนพื้นผิวนิกเกิลที่มีอะตอมซีนอน 35 อะตอม (รูปที่ 1)

Binnig ไม่ได้พักผ่อนบนเกียรติยศของเขา - ในปีที่เขาได้รับรางวัลโนเบลร่วมกับ Christopher Gerber และ Kelvin Quaite ซึ่งทำงานที่ IBM Zurich Research Center ด้วยเขาเริ่มทำงานบนอุปกรณ์อื่นเพื่อศึกษาโลกใบเล็กโดยไม่มีข้อเสีย มีอยู่ใน STM ความจริงก็คือด้วยความช่วยเหลือของกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนมันเป็นไปไม่ได้ที่จะศึกษาพื้นผิวอิเล็กทริก แต่มีเพียงตัวนำและเซมิคอนดักเตอร์เท่านั้นและในการวิเคราะห์อย่างหลังจำเป็นต้องสร้างสุญญากาศที่สำคัญระหว่างพวกเขากับหัววัดกล้องจุลทรรศน์ เมื่อตระหนักว่าการสร้างอุปกรณ์ใหม่นั้นง่ายกว่าการอัพเกรดอุปกรณ์ที่มีอยู่ Binnig, Gerber และ Quaite จึงได้คิดค้นกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมหรือ AFM หลักการทำงานของมันแตกต่างอย่างสิ้นเชิง: เพื่อให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับพื้นผิวพวกเขาไม่ได้วัดความแรงของกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างหัววัดด้วยกล้องจุลทรรศน์และตัวอย่างที่กำลังศึกษา แต่ค่าของแรงดึงดูดที่เกิดขึ้นระหว่างพวกเขานั่นคืออ่อนแอ ปฏิกิริยาที่ไม่ใช่สารเคมี - แรงฟาน เดอร์ วาลส์

รูปแบบการทำงานแรกของ AFM นั้นค่อนข้างง่าย นักวิจัยได้ย้ายหัววัดเพชรไปบนพื้นผิวของตัวอย่าง ซึ่งเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ไมโครเมคานิกที่มีความยืดหยุ่น ซึ่งก็คือคานยื่นที่ทำจากฟอยล์สีทอง (แรงดึงดูดเกิดขึ้นระหว่างหัววัดกับอะตอม ส่วนคานยื่นจะโค้งงอขึ้นอยู่กับแรงดึงดูดและทำให้เพียโซอิเล็กทริกเปลี่ยนรูป) . ระดับของการดัดงอของคานยื่นออกมาถูกกำหนดโดยใช้เซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริก - ในลักษณะเดียวกับที่ร่องและสันเขาของแผ่นเสียงไวนิลถูกแปลงเป็นการบันทึกเสียง การออกแบบกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมทำให้สามารถตรวจจับแรงดึงดูดได้สูงถึง 10–18 นิวตัน หนึ่งปีหลังจากสร้างต้นแบบที่ใช้งานได้ นักวิจัยก็สามารถได้ภาพภูมิประเทศของพื้นผิวกราไฟท์ที่มีความละเอียด 2.5 อังสตรอม

ตลอดสามทศวรรษที่ผ่านมานับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา AFM ได้ถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาวัตถุทางเคมีเกือบทุกชนิด ตั้งแต่พื้นผิวของวัสดุเซรามิกไปจนถึงเซลล์ที่มีชีวิตและแต่ละโมเลกุล ทั้งในสถานะคงที่และไดนามิก กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมกลายเป็นผลงานของนักเคมีและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ และจำนวนการศึกษาที่ใช้วิธีนี้ก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง (รูปที่ 2)

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้เลือกเงื่อนไขสำหรับการศึกษาวัตถุทั้งแบบสัมผัสและไม่สัมผัสโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม วิธีการสัมผัสได้อธิบายไว้ข้างต้นและขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาของ van der Waals ระหว่างคานยื่นออกมาและพื้นผิว เมื่อทำงานในโหมดไม่มีการสัมผัส เพียโซไวเบรเตอร์จะกระตุ้นการสั่นของโพรบที่ความถี่หนึ่ง (ส่วนใหญ่มักจะเป็นเสียงสะท้อน) แรงที่กระทำโดยพื้นผิวทำให้ทั้งแอมพลิจูดและเฟสของการสั่นของโพรบเปลี่ยนแปลง แม้จะมีข้อเสียบางประการของวิธีการแบบไม่สัมผัส (โดยพื้นฐานแล้วมีความไวต่อเสียงรบกวนจากภายนอก) แต่ก็ช่วยลดอิทธิพลของโพรบที่มีต่อวัตถุที่กำลังศึกษาอยู่ ดังนั้นจึงน่าสนใจสำหรับนักเคมีมากกว่า

มีชีวิตชีวาในการสอบสวนเพื่อแสวงหาการเชื่อมต่อ

กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมกลายเป็นแบบไม่สัมผัสในปี 1998 ต้องขอบคุณผลงานของ Franz Josef Gissibl นักเรียนของ Binnig เขาเป็นผู้เสนอให้ใช้ออสซิลเลเตอร์อ้างอิงแบบควอตซ์ที่มีความถี่คงที่เป็นคานยื่นออกมา 11 ปีต่อมา นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการ IBM ในซูริกได้ทำการดัดแปลง AFM แบบไม่สัมผัสอีกครั้ง: บทบาทของโพรบเซ็นเซอร์ไม่ได้เล่นโดยคริสตัลเพชรที่แหลมคม แต่เล่นโดยโมเลกุลเดี่ยว - คาร์บอนมอนอกไซด์ สิ่งนี้ทำให้สามารถเคลื่อนไปสู่ความละเอียดระดับต่ำกว่าอะตอมได้ ดังที่แสดงโดยลีโอ กรอสส์ จากแผนกซูริกของไอบีเอ็ม ในปี 2009 โดยใช้ AFM เขาทำให้มองเห็นไม่ใช่อะตอม แต่เป็นพันธะเคมี ทำให้ได้ "ภาพ" ที่ชัดเจนและอ่านได้ชัดเจนสำหรับโมเลกุลเพนทาซีน (รูปที่ 3; ศาสตร์, 2009, 325, 5944, 1110–1114, ดอย: 10.1126/science.1176210)

ด้วยความเชื่อมั่นว่าสามารถมองเห็นพันธะเคมีได้โดยใช้ AFM ลีโอ กรอสส์จึงตัดสินใจใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมเพื่อวัดความยาวและลำดับพันธะ ซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการทำความเข้าใจโครงสร้างทางเคมี และคุณสมบัติของสารต่างๆ

โปรดจำไว้ว่าความแตกต่างในลำดับพันธะบ่งบอกถึงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันและระยะห่างระหว่างอะตอมที่แตกต่างกันระหว่างสองอะตอม (พูดง่ายๆ ก็คือ พันธะคู่จะสั้นกว่าพันธะเดี่ยว) ในอีเทน ลำดับพันธะคาร์บอน-คาร์บอนคือ 1 ในเอทิลีนมี 2 อันดับ และในโมเลกุลอะโรมาติกคลาสสิกเบนซีน ลำดับพันธะคาร์บอน-คาร์บอนมีค่ามากกว่าหนึ่งแต่น้อยกว่าสอง และถือเป็น 1.5

การกำหนดลำดับของพันธะจะยากกว่ามากเมื่อย้ายจากระบบอะโรมาติกแบบธรรมดาไปเป็นระบบไซคลิกแบบควบแน่นแบบระนาบหรือแบบจำนวนมาก ดังนั้นลำดับของพันธะในฟูลเลอรีนซึ่งประกอบด้วยวงแหวนคาร์บอนที่มีสมาชิกห้าและหกสมาชิกที่ควบแน่น สามารถใช้ค่าใดก็ได้ตั้งแต่หนึ่งถึงสอง ความไม่แน่นอนเดียวกันนี้มีอยู่ในสารประกอบอะโรมาติกโพลีไซคลิกในทางทฤษฎี

ในปี 2012 Leo Gross ร่วมกับ Fabian Mohn แสดงให้เห็นว่ากล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมที่มีหัววัดโลหะแบบไม่สัมผัสซึ่งดัดแปลงด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์สามารถวัดความแตกต่างในการกระจายประจุของอะตอมและระยะห่างระหว่างอะตอม - นั่นคือพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับลำดับพันธะ ( ศาสตร์, 2012, 337, 6100, 1326–1329, ดอย: 10.1126/science.1225621)

ในการทำเช่นนี้ พวกเขาได้ศึกษาพันธะเคมีสองประเภทในฟูลเลอรีน ได้แก่ พันธะคาร์บอน-คาร์บอน ซึ่งมีอยู่ทั่วไปในวงแหวนที่มีคาร์บอนหกสมาชิกสองวงของ C60 ฟูลเลอรีน และพันธะคาร์บอน-คาร์บอน ซึ่งมีอยู่ทั่วไปในพันธะห้าและหก -สมาชิกแหวน กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแสดงให้เห็นว่าการควบแน่นของวงแหวนที่มีสมาชิกหกส่วนทำให้เกิดพันธะที่สั้นกว่าและเรียงลำดับมากกว่าการควบแน่นของชิ้นส่วนไซคลิก C 6 และ C 5 การศึกษาคุณสมบัติของพันธะเคมีในเฮกซาเบนโซโคโรนีน โดยมีวงแหวน C 6 อีก 6 วงวางอย่างสมมาตรรอบวงแหวน C 6 ตรงกลาง ยืนยันผลลัพธ์ของการสร้างแบบจำลองทางเคมีควอนตัม ตามลำดับของพันธะ C-C ของวงแหวนกลาง (ใน รูปที่ 4 จดหมาย ฉัน) จะต้องมากกว่าพันธะที่เชื่อมต่อวงแหวนนี้กับรอบอุปกรณ์ต่อพ่วง (ในรูปที่ 4 ตัวอักษร เจ- ผลลัพธ์ที่คล้ายกันได้รับสำหรับโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งมีวงแหวนหกสมาชิกเก้าวง

แน่นอนว่าลำดับของพันธะและระยะห่างระหว่างอะตอมเป็นที่สนใจของนักเคมีอินทรีย์ แต่ผู้ที่ศึกษาทฤษฎีพันธะเคมี การทำนายการเกิดปฏิกิริยา และศึกษากลไกของปฏิกิริยาเคมีจะมีความสำคัญมากกว่า อย่างไรก็ตาม ทั้งนักเคมีสังเคราะห์และผู้เชี่ยวชาญในการศึกษาโครงสร้างของสารประกอบธรรมชาติต่างต้องประหลาดใจ: ปรากฎว่ากล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมสามารถใช้เพื่อกำหนดโครงสร้างของโมเลกุลในลักษณะเดียวกับ NMR หรือ IR สเปกโทรสโกปี นอกจากนี้ยังให้คำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามที่วิธีการเหล่านี้ไม่สามารถจัดการได้

จากการถ่ายภาพสู่ภาพยนตร์

ในปี 2010 Leo Gross และ Rainer Ebel คนเดียวกันสามารถสร้างโครงสร้างของสารประกอบธรรมชาติได้อย่างชัดเจน - cephalandol A ซึ่งแยกได้จากแบคทีเรีย เดอร์มาค็อกคัส อบิสซี(เคมีธรรมชาติ, 2010, 2, 821–825, ดอย: 10.1038/nchem.765) ก่อนหน้านี้องค์ประกอบของเซฟาแลนดอล A นั้นถูกสร้างขึ้นโดยใช้แมสสเปกโตรเมทรี แต่การวิเคราะห์สเปกตรัม NMR ของสารประกอบนี้ไม่ได้ให้คำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามเกี่ยวกับโครงสร้างของมัน: เป็นไปได้สี่ตัวเลือก การใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม นักวิจัยสามารถตัดโครงสร้างสองในสี่โครงสร้างออกทันที และตัดสินใจเลือกโครงสร้างที่เหลืออีกสองโครงสร้างให้ถูกต้องโดยการเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้รับโดยใช้แบบจำลองทางเคมีของ AFM และควอนตัม งานกลายเป็นเรื่องยาก: ซึ่งแตกต่างจากเพนทาซีน, ฟูลเลอรีนและโคโรเนน, เซฟาแลนดอล A ไม่เพียงมีอะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจนเท่านั้นนอกจากนี้โมเลกุลนี้ไม่มีระนาบสมมาตร (รูปที่ 5) - แต่ปัญหานี้ก็แก้ไขได้เช่นกัน

การยืนยันเพิ่มเติมว่ากล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมสามารถใช้เป็นเครื่องมือวิเคราะห์ได้ในกลุ่มของ Oscar Kustanza ซึ่งในขณะนั้นทำงานที่ School of Engineering ที่มหาวิทยาลัยโอซาก้า เขาสาธิตวิธีการใช้ AFM เพื่อแยกแยะอะตอมที่แตกต่างกันน้อยกว่าคาร์บอนและไฮโดรเจนมาก ( ธรรมชาติ, 2007, 446, 64–67, ดอย: 10.1038/nature05530) Kustants ตรวจสอบพื้นผิวของโลหะผสมที่ประกอบด้วยซิลิคอน ดีบุก และตะกั่ว โดยทราบปริมาณของธาตุแต่ละชนิด จากการทดลองจำนวนมาก เขาพบว่าแรงที่เกิดขึ้นระหว่างปลายของโพรบ AFM และอะตอมที่แตกต่างกันนั้นแตกต่างกัน (รูปที่ 6) ตัวอย่างเช่น ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงที่สุดถูกสังเกตเมื่อตรวจสอบซิลิคอน และปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอที่สุดถูกสังเกตเมื่อตรวจสอบตะกั่ว

สันนิษฐานว่าในอนาคต ผลลัพธ์ของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมสำหรับการรับรู้อะตอมแต่ละอะตอมจะได้รับการประมวลผลในลักษณะเดียวกับผลลัพธ์ของ NMR โดยการเปรียบเทียบค่าสัมพัทธ์ เนื่องจากองค์ประกอบที่แน่นอนของปลายเซ็นเซอร์นั้นควบคุมได้ยาก ค่าสัมบูรณ์ของแรงระหว่างเซ็นเซอร์และอะตอมของพื้นผิวต่างๆ ขึ้นอยู่กับสภาวะการทดลองและยี่ห้อของอุปกรณ์ แต่อัตราส่วนของแรงเหล่านี้สำหรับองค์ประกอบและรูปร่างใดๆ ของ เซ็นเซอร์จะคงที่สำหรับองค์ประกอบทางเคมีแต่ละชนิด

ในปี 2013 ตัวอย่างแรกของการใช้ AFM เพื่อรับภาพของแต่ละโมเลกุลก่อนและหลังปฏิกิริยาเคมีปรากฏขึ้น: มีการสร้าง "ชุดภาพถ่าย" ของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาและตัวกลางขึ้น ซึ่งสามารถตัดต่อเป็นภาพยนตร์สารคดีประเภทหนึ่งได้ ( ศาสตร์, 2013, 340, 6139, 1434–1437; ดอย: 10.1126/science.1238187 )

Felix Fischer และ Michael Crommie จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ Berkeley ใช้เงินกับพื้นผิว 1,2-บิส[(2-เอธินิลฟีนิล)เอธินิล]เบนซีนถ่ายภาพโมเลกุลและให้ความร้อนแก่พื้นผิวเพื่อเริ่มการเกิดไซเคิลเซชัน ครึ่งหนึ่งของโมเลกุลดั้งเดิมกลายเป็นโครงสร้างโพลีไซคลิกอะโรมาติกซึ่งประกอบด้วยวงแหวนหกสมาชิกห้าวงและห้าสมาชิกสองวงที่หลอมรวมกัน อีกหนึ่งในสี่ของโมเลกุลก่อตัวเป็นโครงสร้างซึ่งประกอบด้วยวงแหวนหกสมาชิกสี่วงที่เชื่อมต่อกันผ่านวงแหวนสี่สมาชิกหนึ่งวง และวงแหวนห้าสมาชิกสองวง (รูปที่ 7) ผลิตภัณฑ์ที่เหลือคือโครงสร้างโอลิโกเมอร์ และไอโซเมอร์โพลีไซคลิกในปริมาณเล็กน้อย

ผลลัพธ์เหล่านี้ทำให้นักวิจัยประหลาดใจถึงสองครั้ง ประการแรกมีเพียงสองผลิตภัณฑ์หลักเท่านั้นที่เกิดขึ้นระหว่างการทำปฏิกิริยา ประการที่สอง โครงสร้างของพวกเขาน่าประหลาดใจ ฟิชเชอร์ตั้งข้อสังเกตว่าสัญชาตญาณทางเคมีและประสบการณ์ทำให้สามารถดึงผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่เป็นไปได้ได้หลายสิบรายการ แต่ไม่มีผลิตภัณฑ์ใดที่ตรงกับสารประกอบที่เกิดขึ้นบนพื้นผิว เป็นไปได้ว่าการเกิดกระบวนการทางเคมีที่ผิดปกตินั้นได้รับการอำนวยความสะดวกโดยปฏิกิริยาของสารตั้งต้นกับสารตั้งต้น

โดยธรรมชาติแล้ว หลังจากประสบความสำเร็จอย่างจริงจังครั้งแรกในการศึกษาพันธะเคมี นักวิจัยบางคนตัดสินใจใช้ AFM เพื่อสังเกตปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่อ่อนลงและมีการศึกษาน้อย โดยเฉพาะพันธะไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม งานในพื้นที่นี้เพิ่งเริ่มต้น และผลลัพธ์ก็ขัดแย้งกัน ดังนั้น สิ่งพิมพ์บางฉบับรายงานว่ากล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมทำให้สามารถสังเกตพันธะไฮโดรเจนได้ ( ศาสตร์, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603) คนอื่นๆ แย้งว่าสิ่งเหล่านี้เป็นเพียงสิ่งประดิษฐ์เนื่องจากคุณสมบัติการออกแบบของอุปกรณ์ และผลการทดลองจำเป็นต้องได้รับการตีความอย่างระมัดระวังมากขึ้น ( จดหมายทบทวนทางกายภาพ, 2014, 113, 186102, ดอย: 10.1103/PhysRevLett.113.186102- บางทีคำตอบสุดท้ายสำหรับคำถามที่ว่าไฮโดรเจนและปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลอื่น ๆ สามารถสังเกตได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมจะได้รับคำตอบในทศวรรษนี้หรือไม่ ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องเพิ่มความละเอียด AFM อย่างน้อยหลายเท่าและเรียนรู้ที่จะรับภาพโดยไม่มีการรบกวน ( การตรวจร่างกาย B, 2014, 90, 085421, ดอย: 10.1103/PhysRevB.90.085421).

การสังเคราะห์โมเลกุลเดี่ยว

ด้วยฝีมือของผู้เชี่ยวชาญ ทั้ง STM และ AFM เปลี่ยนจากอุปกรณ์ที่สามารถศึกษาสสารเป็นอุปกรณ์ที่สามารถเปลี่ยนโครงสร้างของสสารได้อย่างมีจุดประสงค์ ด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์เหล่านี้ จึงเป็นไปได้ที่จะได้รับ "ห้องปฏิบัติการเคมีที่เล็กที่สุด" ซึ่งใช้สารตั้งต้นแทนขวด และใช้โมเลกุลแต่ละโมเลกุลแทนโมลหรือมิลลิโมลของสารที่ทำปฏิกิริยา

ตัวอย่างเช่น ในปี 2016 ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดยทาคาชิ คุมาไกใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแบบไม่สัมผัสเพื่อแปลงโมเลกุลพอร์ไฟซีนจากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่ง ( เคมีธรรมชาติ, 2016, 8, 935–940, ดอย: 10.1038/nchem.2552) พอร์ไฟซีนถือได้ว่าเป็นการปรับเปลี่ยนพอร์ไฟริน ซึ่งมีวงแหวนภายในประกอบด้วยอะตอมไนโตรเจน 4 อะตอมและไฮโดรเจน 2 อะตอม การสั่นสะเทือนของหัววัด AFM ถ่ายเทพลังงานเพียงพอไปยังโมเลกุลพอร์ไฟซีนเพื่อถ่ายโอนไฮโดรเจนเหล่านี้จากอะตอมไนโตรเจนหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง และผลลัพธ์ที่ได้คือ "ภาพสะท้อน" ของโมเลกุลนี้ (รูปที่ 8)

ทีมงานที่นำโดยลีโอ กรอส ผู้ไม่ย่อท้อ ยังแสดงให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้ที่จะเริ่มปฏิกิริยาของโมเลกุลเดี่ยว โดยเปลี่ยนไดโบรโมแมนทราซีนเป็นไดย์นแบบไซคลิกที่มีสมาชิกสิบส่วน (รูปที่ 9; เคมีธรรมชาติ, 2015, 7, 623–628, ดอย: 10.1038/nchem.2300 ) ต่างจาก Kumagai และคณะ พวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนเพื่อกระตุ้นโมเลกุล และผลของปฏิกิริยาจะถูกตรวจสอบโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม

การใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนร่วมกับกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมร่วมกัน ทำให้สามารถได้รับโมเลกุลที่ไม่สามารถสังเคราะห์ได้โดยใช้เทคนิคและวิธีการแบบดั้งเดิม ( นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ, 2017, 12, 308–311, ดอย: 10.1038/nnano.2016.305 ) นี่คือ triangulene ซึ่งเป็นสารอะโรมาติกไดราดิคัลที่ไม่เสถียร ซึ่งมีการทำนายการมีอยู่จริงเมื่อหกทศวรรษที่แล้ว แต่ความพยายามในการสังเคราะห์ทั้งหมดล้มเหลว (รูปที่ 10) นักเคมีจากกลุ่มของ Niko Pavlicek ได้รับสารประกอบที่ต้องการโดยการเอาอะตอมไฮโดรเจน 2 อะตอมออกจากสารตั้งต้นโดยใช้ STM และยืนยันผลการสังเคราะห์โดยใช้ AFM

คาดว่าจำนวนผลงานที่เกี่ยวข้องกับการใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมในเคมีอินทรีย์จะยังคงเพิ่มขึ้นต่อไป ในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ กำลังพยายามจำลองปฏิกิริยาบนพื้นผิวซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีใน "เคมีของสารละลาย" แต่บางทีนักเคมีสังเคราะห์อาจจะเริ่มสร้างปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวโดยใช้ AFM ในสารละลาย

จากการไม่มีชีวิตไปสู่การมีชีวิตอยู่

คานยื่นและโพรบของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมสามารถนำมาใช้ไม่เพียงแต่สำหรับการศึกษาเชิงวิเคราะห์หรือการสังเคราะห์โมเลกุลแปลกใหม่เท่านั้น แต่ยังใช้สำหรับการแก้ปัญหาที่ใช้อีกด้วย มีหลายกรณีที่ทราบกันดีอยู่แล้วเกี่ยวกับการใช้ AFM ในทางการแพทย์ เช่น สำหรับการวินิจฉัยโรคมะเร็งในระยะเริ่มแรก และที่นี่ผู้บุกเบิกคือคริสโตเฟอร์ เกอร์เบอร์ คนเดียวกับที่มีส่วนร่วมในการพัฒนาหลักการของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมและการสร้าง AFM

ดังนั้น Gerber จึงสามารถสอน AFM ให้ตรวจจับการกลายพันธุ์แบบจุดในกรดไรโบนิวคลีอิกในมะเร็งผิวหนัง (บนวัสดุที่ได้รับจากการตัดชิ้นเนื้อ) เมื่อต้องการทำเช่นนี้ คานยื่นสีทองของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมได้รับการแก้ไขด้วยโอลิโกนิวคลีโอไทด์ที่สามารถเข้าสู่ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลกับ RNA ได้ และยังสามารถวัดความแข็งแรงของปฏิกิริยานี้ได้เนื่องจากเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก ความไวของเซ็นเซอร์ AFM นั้นสูงมากจนได้พยายามใช้เพื่อศึกษาประสิทธิภาพของวิธีการแก้ไขจีโนมยอดนิยม CRISPR-Cas9 เทคโนโลยีที่สร้างขึ้นโดยนักวิจัยรุ่นต่างๆ มารวมกันที่นี่

ในการถอดความคลาสสิกของทฤษฎีการเมืองข้อใดข้อหนึ่ง เราสามารถพูดได้ว่าเราเห็นความเป็นไปได้ที่ไร้ขีดจำกัดและความไม่สิ้นสุดของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแล้ว และแทบจะไม่สามารถจินตนาการถึงสิ่งที่รออยู่ข้างหน้าซึ่งเกี่ยวข้องกับการพัฒนาเพิ่มเติมของเทคโนโลยีเหล่านี้ แต่ทุกวันนี้ กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดแบบอุโมงค์และกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมทำให้เรามีโอกาสเห็นและสัมผัสอะตอมได้ เราสามารถพูดได้ว่านี่ไม่ใช่แค่การขยายดวงตาของเราเท่านั้นที่ทำให้เราสามารถมองเข้าไปในพิภพเล็ก ๆ ของอะตอมและโมเลกุลได้ แต่ยังรวมถึงดวงตาใหม่ นิ้วใหม่ ที่สามารถสัมผัสและควบคุมพิภพเล็ก ๆ นี้ได้

อะตอม (จากภาษากรีก "แบ่งแยกไม่ได้") ครั้งหนึ่งเคยเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารขนาดจุลทรรศน์ ซึ่งเป็นส่วนที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีที่มีคุณสมบัติของมัน ส่วนประกอบของอะตอม ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน อิเล็กตรอน ไม่มีคุณสมบัติเหล่านี้อีกต่อไปและประกอบเข้าด้วยกัน อะตอมโควาเลนต์ก่อตัวเป็นโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์ศึกษาคุณลักษณะของอะตอมและถึงแม้จะได้รับการศึกษามาค่อนข้างดีแล้ว แต่พวกเขาก็ไม่พลาดโอกาสในการค้นหาสิ่งใหม่ ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการสร้างวัสดุใหม่และอะตอมใหม่ (ต่อในตารางธาตุ) 99.9% ของมวลอะตอมอยู่ในนิวเคลียส

อย่าถูกเลื่อนออกไปโดยชื่อเรื่อง หลุมดำซึ่งสร้างขึ้นโดยไม่ได้ตั้งใจโดยพนักงานของ SLAC National Accelerator Laboratory กลายเป็นหลุมดำที่มีขนาดเพียงอะตอมเดียวเท่านั้น ดังนั้นจึงไม่มีอะไรคุกคามเรา และชื่อ “หลุมดำ” นั้นเป็นเพียงการอธิบายปรากฏการณ์ที่นักวิจัยสังเกตได้จากระยะไกลเท่านั้น เราได้บอกคุณหลายครั้งเกี่ยวกับเลเซอร์เอ็กซ์เรย์ที่ทรงพลังที่สุดในโลกที่เรียกว่า

ในความเป็นจริง ผู้เขียน RTCh ได้ไปไกลถึง "ภาพสะท้อน" ของเขาว่าถึงเวลาที่จะต้องกระตุ้นให้เกิดข้อโต้แย้งอย่างหนัก กล่าวคือ ข้อมูลจากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นเพื่อถ่ายภาพอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งเป็นที่รู้จักเมื่อวันที่ 4 พฤศจิกายน , 2010. ภาพนี้แสดงรูปร่างอะตอมอย่างชัดเจน ซึ่งยืนยันทั้งความแยกส่วนและความกลมของอะตอม: “กลุ่มนักวิทยาศาสตร์และผู้เชี่ยวชาญจากมหาวิทยาลัยโตเกียวถ่ายภาพอะตอมไฮโดรเจนเดี่ยวๆ เป็นครั้งแรกในโลก ซึ่งเบาที่สุดและเล็กที่สุดในบรรดาอะตอมทั้งหมด สำนักข่าวรายงาน.

ภาพนี้ถ่ายโดยใช้หนึ่งในเทคโนโลยีล่าสุด - กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดสแกนพิเศษ เมื่อใช้อุปกรณ์นี้ อะตอมวานาเดียมที่แยกจากกันจะถูกถ่ายภาพพร้อมกับอะตอมไฮโดรเจน
เส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมไฮโดรเจนคือหนึ่งในสิบพันล้านเมตร ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะถ่ายภาพด้วยอุปกรณ์ที่ทันสมัย ไฮโดรเจนเป็นสารที่พบมากที่สุด ส่วนแบ่งในจักรวาลทั้งหมดอยู่ที่ประมาณ 90%

ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวไว้ อนุภาคมูลฐานอื่นๆ ก็สามารถดักจับได้ในลักษณะเดียวกัน “ตอนนี้เราสามารถเห็นอะตอมทั้งหมดที่ประกอบเป็นโลกของเรา” ศาสตราจารย์ยูอิจิ อิคุฮาระ กล่าว “นี่คือความก้าวหน้าของการผลิตรูปแบบใหม่ ซึ่งในอนาคตจะสามารถตัดสินใจในระดับอะตอมและโมเลกุลแต่ละรายการได้”

อะตอมไฮโดรเจน สีสัมพันธ์
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จากเยอรมนี กรีซ เนเธอร์แลนด์ สหรัฐอเมริกา และฝรั่งเศส ถ่ายภาพอะตอมไฮโดรเจน ภาพเหล่านี้ซึ่งได้มาจากกล้องจุลทรรศน์โฟโตอิออไนเซชัน แสดงการกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์ของการคำนวณทางทฤษฎีโดยสิ้นเชิง ผลงานของทีมงานระหว่างประเทศแสดงอยู่ในหน้า Physical Review Letters

สาระสำคัญของวิธีการโฟโตออไนเซชันคือการไอออไนซ์ตามลำดับของอะตอมไฮโดรเจนนั่นคือการกำจัดอิเล็กตรอนออกจากพวกมันเนื่องจากการฉายรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนที่แยกออกจากกันจะถูกส่งไปยังเมทริกซ์ที่ละเอียดอ่อนผ่านวงแหวนที่มีประจุบวก และตำแหน่งของอิเล็กตรอนในขณะที่ชนกับเมทริกซ์จะสะท้อนตำแหน่งของอิเล็กตรอนในขณะที่อะตอมแตกตัวเป็นไอออน วงแหวนที่มีประจุซึ่งเบี่ยงเบนอิเล็กตรอนไปด้านข้างจะทำหน้าที่เป็นเลนส์ และด้วยความช่วยเหลือนี้ ภาพจึงถูกขยายหลายล้านครั้ง

วิธีการนี้ซึ่งอธิบายไว้ในปี 2004 ได้ถูกนำมาใช้ในการถ่ายภาพ "ภาพถ่าย" ของโมเลกุลแต่ละโมเลกุลแล้ว แต่นักฟิสิกส์ได้ดำเนินการต่อไปและใช้กล้องจุลทรรศน์โฟโตอิออนเพื่อศึกษาอะตอมของไฮโดรเจน เนื่องจากการชนของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวทำให้เกิดจุดเดียวเท่านั้น นักวิจัยจึงสะสมอิเล็กตรอนแต่ละตัวจากอะตอมที่แตกต่างกันประมาณ 20,000 ตัว และรวบรวมภาพเฉลี่ยของเปลือกอิเล็กตรอน

ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม อิเล็กตรอนในอะตอมไม่มีตำแหน่งเฉพาะเจาะจงในตัวมันเอง เฉพาะเมื่ออะตอมมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมภายนอกเท่านั้นที่อิเล็กตรอนจะปรากฏขึ้นด้วยความน่าจะเป็นอย่างใดอย่างหนึ่งในบริเวณใกล้เคียงของนิวเคลียสของอะตอม: บริเวณที่มีความน่าจะเป็นในการตรวจจับอิเล็กตรอนสูงสุดเรียกว่าเปลือกอิเล็กตรอน ภาพใหม่แสดงความแตกต่างระหว่างอะตอมที่มีสถานะพลังงานต่างกัน นักวิทยาศาสตร์สามารถแสดงให้เห็นรูปร่างของเปลือกอิเล็กตรอนที่ทำนายโดยกลศาสตร์ควอนตัมได้อย่างชัดเจน

ด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์อื่นๆ กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ส่องกราด ไม่เพียงแต่สามารถมองเห็นอะตอมแต่ละอะตอมได้ แต่ยังเคลื่อนย้ายไปยังตำแหน่งที่ต้องการอีกด้วย ประมาณหนึ่งเดือนที่ผ่านมา เทคนิคนี้ทำให้วิศวกรของ IBM สามารถวาดการ์ตูนได้ โดยแต่ละเฟรมประกอบด้วยอะตอม การทดลองทางศิลปะดังกล่าวไม่มีผลในทางปฏิบัติใดๆ แต่แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ขั้นพื้นฐานในการจัดการกับอะตอม เพื่อวัตถุประสงค์ในการนำไปใช้ ไม่ใช่การใช้การประกอบอะตอมมิกอีกต่อไป แต่เป็นกระบวนการทางเคมีที่มีการจัดระเบียบโครงสร้างนาโนด้วยตนเอง หรือการจำกัดการเติบโตของชั้นโมโนอะตอมบนพื้นผิว

ดังที่คุณทราบ วัสดุทุกอย่างในจักรวาลประกอบด้วยอะตอม อะตอมเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของสสารที่มีคุณสมบัติของมัน ในทางกลับกัน โครงสร้างของอะตอมก็ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กทั้งสามที่มีมนต์ขลัง ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน

นอกจากนี้แต่ละอนุภาคขนาดเล็กยังเป็นสากลอีกด้วย นั่นคือคุณไม่สามารถหาโปรตอน นิวตรอน หรืออิเล็กตรอนที่แตกต่างกันสองตัวในโลกได้ พวกเขาทั้งหมดมีความคล้ายคลึงกันอย่างแน่นอน และคุณสมบัติของอะตอมจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเชิงปริมาณของอนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้ในโครงสร้างโดยรวมของอะตอมเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น โครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจนประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัว อะตอมที่ซับซ้อนรองลงมาคือฮีเลียม ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัว นิวตรอน 2 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว อะตอมลิเธียมประกอบด้วยโปรตอน 3 ตัว นิวตรอน 4 ตัว และอิเล็กตรอน 3 ตัว เป็นต้น

โครงสร้างอะตอม (จากซ้ายไปขวา): ไฮโดรเจน ฮีเลียม ลิเธียม

อะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล และโมเลกุลรวมตัวกันเป็นสสาร แร่ธาตุ และสิ่งมีชีวิต โมเลกุล DNA ซึ่งเป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด เป็นโครงสร้างที่ประกอบขึ้นจากก้อนอิฐมหัศจรรย์สามก้อนแห่งจักรวาลเดียวกันกับก้อนหินที่วางอยู่บนถนน แม้ว่าโครงสร้างนี้จะซับซ้อนกว่ามากก็ตาม

ข้อเท็จจริงที่น่าทึ่งยิ่งกว่านั้นก็ถูกเปิดเผยเมื่อเราพยายามพิจารณาสัดส่วนและโครงสร้างของระบบอะตอมให้ละเอียดยิ่งขึ้น เป็นที่ทราบกันดีว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปรอบๆ ตามแนววิถีที่อธิบายทรงกลม นั่นคือไม่สามารถเรียกได้ว่าเป็นการเคลื่อนไหวในความหมายปกติของคำนี้ด้วยซ้ำ แต่อิเล็กตรอนจะอยู่ทุกที่และทันทีภายในทรงกลมนี้ ทำให้เกิดเมฆอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสและก่อตัวเป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

การแสดงแผนผังโครงสร้างของอะตอม

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน และมวลเกือบทั้งหมดของระบบกระจุกตัวอยู่ในนั้น แต่ในขณะเดียวกันนิวเคลียสเองก็มีขนาดเล็กมากจนหากรัศมีของมันเพิ่มขึ้นเป็น 1 ซม. รัศมีของโครงสร้างอะตอมทั้งหมดจะสูงถึงหลายร้อยเมตร ดังนั้น ทุกสิ่งที่เรามองว่าเป็นสสารหนาแน่นประกอบด้วยมากกว่า 99% ของพันธะอันทรงพลังระหว่างอนุภาคทางกายภาพ และน้อยกว่า 1% ของรูปแบบทางกายภาพด้วยตัวมันเอง

แต่รูปแบบทางกายภาพเหล่านี้คืออะไร? พวกเขาทำมาจากอะไรและมีวัสดุอย่างไร? เพื่อตอบคำถามเหล่านี้ เรามาดูโครงสร้างของโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนกันดีกว่า ดังนั้นเราจึงลงลึกไปอีกขั้นหนึ่งสู่ส่วนลึกของไมโครเวิลด์ - สู่ระดับอนุภาคมูลฐาน

อิเล็กตรอนประกอบด้วยอะไร?

อนุภาคที่เล็กที่สุดของอะตอมคืออิเล็กตรอน อิเล็กตรอนมีมวลแต่ไม่มีปริมาตร ตามแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ อิเล็กตรอนไม่ได้ประกอบด้วยสิ่งใดเลย แต่เป็นจุดที่ไม่มีโครงสร้าง

ไม่สามารถมองเห็นอิเล็กตรอนได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ มองเห็นได้เฉพาะในรูปเมฆอิเล็กตรอนซึ่งดูเหมือนทรงกลมพร่ามัวรอบนิวเคลียสของอะตอม ในขณะเดียวกันก็เป็นไปไม่ได้ที่จะพูดอย่างแม่นยำว่าอิเล็กตรอนอยู่ ณ ช่วงเวลาใด เครื่องมือไม่สามารถจับตัวอนุภาคได้ แต่จับเฉพาะร่องรอยพลังงานเท่านั้น สาระสำคัญของอิเล็กตรอนไม่ได้ฝังอยู่ในแนวคิดเรื่องสสาร เปรียบเสมือนรูปว่างอันมีอยู่แต่ในการเคลื่อนไหวและการเคลื่อนไหวเท่านั้น

ยังไม่มีการค้นพบโครงสร้างในอิเล็กตรอน มันเป็นอนุภาคจุดเดียวกับควอนตัมพลังงาน ที่จริงแล้ว อิเล็กตรอนก็คือพลังงาน อย่างไรก็ตาม มันเป็นรูปแบบที่เสถียรมากกว่าอิเล็กตรอนที่เป็นโฟตอนของแสง

ในขณะนี้อิเล็กตรอนถือว่าแบ่งแยกไม่ได้ สิ่งนี้เป็นสิ่งที่เข้าใจได้ เพราะเป็นไปไม่ได้ที่จะแบ่งสิ่งที่ไม่มีปริมาตร อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้มีพัฒนาการตามที่อิเล็กตรอนประกอบด้วยควอซิพาร์ติเคิลจำนวนหนึ่งเช่น:

• Orbiton - มีข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งการโคจรของอิเล็กตรอน
• Spinon – รับผิดชอบการหมุนหรือแรงบิด
• Holon – นำข้อมูลเกี่ยวกับประจุของอิเล็กตรอน

อย่างไรก็ตาม ตามที่เราเห็น quasiparticles ไม่มีอะไรที่เหมือนกันกับสสารเลย และมีเพียงข้อมูลเท่านั้น

ภาพถ่ายอะตอมของสารต่าง ๆ ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

สิ่งที่น่าสนใจคืออิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงานควอนตัมได้ เช่น แสงหรือความร้อน ในกรณีนี้ อะตอมจะเคลื่อนไปสู่ระดับพลังงานใหม่ และขอบเขตของเมฆอิเล็กตรอนจะขยายออกไป นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นที่พลังงานที่อิเล็กตรอนดูดซับนั้นมีมากจนสามารถกระโดดออกจากระบบอะตอมและเคลื่อนที่ต่อไปในฐานะอนุภาคอิสระ ในเวลาเดียวกัน มันก็มีพฤติกรรมเหมือนโฟตอนของแสง นั่นคือดูเหมือนว่าจะไม่เป็นอนุภาคและเริ่มแสดงคุณสมบัติของคลื่น สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วในการทดลอง

การทดลองของจุง

ในระหว่างการทดลอง กระแสอิเล็กตรอนพุ่งไปที่หน้าจอโดยมีรอยกรีดสองช่องอยู่ เมื่อผ่านรอยกรีดเหล่านี้ อิเล็กตรอนก็ชนกับพื้นผิวของจอฉายภาพอีกจอหนึ่ง และทิ้งร่องรอยไว้บนนั้น ผลจากการ "ทิ้งระเบิด" ของอิเล็กตรอน รูปแบบการรบกวนปรากฏขึ้นบนหน้าจอการฉายภาพ คล้ายกับรูปแบบที่จะปรากฏขึ้นหากคลื่น แต่ไม่ใช่อนุภาค ผ่านช่องสองช่อง

รูปแบบนี้เกิดขึ้นเนื่องจากคลื่นที่ผ่านระหว่างสองช่องถูกแบ่งออกเป็นสองคลื่น ผลจากการเคลื่อนไหวเพิ่มเติม คลื่นเหลื่อมกัน และในบางพื้นที่คลื่นจะถูกยกเลิกร่วมกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือเส้นหลายเส้นบนจอฉายภาพ แทนที่จะเป็นเพียงเส้นเดียว ดังเช่นในกรณีที่อิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาค

โครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม: โปรตอนและนิวตรอน

โปรตอนและนิวตรอนประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียสของอะตอม และแม้ว่าแกนกลางจะมีปริมาณน้อยกว่า 1% ของปริมาตรทั้งหมด แต่ในโครงสร้างนี้ที่มวลเกือบทั้งหมดของระบบมีความเข้มข้น แต่นักฟิสิกส์แบ่งตามโครงสร้างของโปรตอนและนิวตรอน และในขณะนี้มีสองทฤษฎี

• ทฤษฎีหมายเลข 1 - มาตรฐาน

แบบจำลองมาตรฐานบอกว่าโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กสามตัวที่เชื่อมต่อกันด้วยเมฆกลูออน ควาร์กเป็นอนุภาคจุด เช่นเดียวกับควอนตัมและอิเล็กตรอน และกลูออนก็เป็นอนุภาคเสมือนที่รับประกันปฏิกิริยาของควาร์ก อย่างไรก็ตาม ไม่เคยพบควาร์กหรือกลูออนในธรรมชาติ ดังนั้นแบบจำลองนี้จึงถูกวิพากษ์วิจารณ์อย่างรุนแรง

• ทฤษฎี #2 - ทางเลือก

แต่ตามทฤษฎีทางเลือกของสนามรวมซึ่งพัฒนาโดยไอน์สไตน์ โปรตอนเช่นเดียวกับนิวตรอนก็เหมือนกับอนุภาคอื่น ๆ ของโลกทางกายภาพ คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่หมุนด้วยความเร็วแสง

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของมนุษย์และดาวเคราะห์

หลักการของโครงสร้างอะตอมคืออะไร?

ทุกสิ่งในโลก - บางและหนาแน่น ของเหลว ของแข็งและเป็นก๊าซ - เป็นเพียงสถานะพลังงานของสนามแม่เหล็กจำนวนนับไม่ถ้วนที่แทรกซึมอยู่ในอวกาศของจักรวาล ยิ่งระดับพลังงานในสนามสูงเท่าใด ก็จะยิ่งบางลงและมองเห็นได้น้อยลงเท่านั้น ยิ่งระดับพลังงานต่ำลงเท่าใดก็ยิ่งมีเสถียรภาพและจับต้องได้มากขึ้นเท่านั้น โครงสร้างของอะตอมตลอดจนโครงสร้างของหน่วยอื่น ๆ ของจักรวาลนั้นอยู่ที่ปฏิสัมพันธ์ของสนามดังกล่าว - ความหนาแน่นของพลังงานต่างกัน ปรากฎว่าสสารเป็นเพียงภาพลวงตาของจิตใจ

นักฟิสิกส์จากสหรัฐอเมริกาสามารถจับภาพอะตอมแต่ละอะตอมในภาพถ่ายด้วยความละเอียดที่บันทึกได้ Day.Az รายงานโดยอ้างอิงถึง Vesti.ru

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยคอร์เนลในสหรัฐอเมริกาสามารถจับภาพอะตอมแต่ละอะตอมด้วยความละเอียดในการบันทึก - น้อยกว่าครึ่งอังสตรอม (0.39 Å) ภาพถ่ายก่อนหน้ามีความละเอียดเพียงครึ่งหนึ่ง - 0.98 Å

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนอันทรงพลังที่สามารถมองเห็นอะตอมนั้นมีมาเป็นเวลาครึ่งศตวรรษแล้ว แต่ความละเอียดของพวกมันถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมโดยเฉลี่ย

ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงใช้เลนส์อะนาล็อกบางตัวที่โฟกัสและขยายภาพในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน - นี่คือสนามแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม ความผันผวนของสนามแม่เหล็กทำให้ผลลัพธ์ที่ได้บิดเบือนไป เพื่อขจัดความผิดเพี้ยน มีการใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมเพื่อแก้ไขสนามแม่เหล็ก แต่ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความซับซ้อนของการออกแบบกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

ก่อนหน้านี้ นักฟิสิกส์ที่ Cornell University ได้พัฒนา Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD) ซึ่งมาแทนที่ระบบที่ซับซ้อนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่เน้นอิเล็กตรอนที่เข้ามาเป็นเมทริกซ์ขนาดเล็กตัวเดียวด้วยความละเอียด 128x128 พิกเซลซึ่งมีความไวต่ออิเล็กตรอนแต่ละตัว แต่ละพิกเซลจะบันทึกมุมการสะท้อนของอิเล็กตรอน เมื่อทราบเรื่องนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงใช้เทคนิค ptyakography เพื่อสร้างคุณลักษณะของอิเล็กตรอนขึ้นใหม่ รวมถึงพิกัดของจุดที่ปล่อยออกมา

อะตอมที่มีความละเอียดสูงสุด

เดวิด เอ. มุลเลอร์ และคณะ ธรรมชาติ, 2018.

ในฤดูร้อนปี 2018 นักฟิสิกส์ตัดสินใจปรับปรุงคุณภาพของภาพที่ได้ให้มีความละเอียดเป็นประวัติการณ์จนถึงปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ได้ติดแผ่นวัสดุ 2 มิติ โมลิบดีนัมซัลไฟด์ MoS2 เข้ากับลำแสงที่กำลังเคลื่อนที่ และปล่อยลำแสงอิเล็กตรอนโดยการหมุนลำแสงในมุมต่างๆ ไปยังแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ EMPAD และ ptaycography เพื่อกำหนดระยะห่างระหว่างอะตอมโมลิบดีนัมแต่ละตัว และได้ภาพที่มีความละเอียดบันทึก 0.39 Å

“โดยพื้นฐานแล้วเราสร้างเส้นที่เล็กที่สุดในโลก” Sol Gruner หนึ่งในผู้เขียนการทดลองอธิบาย ในภาพผลลัพธ์ สามารถมองเห็นอะตอมของกำมะถันด้วยความละเอียดบันทึกที่ 0.39 Å ยิ่งไปกว่านั้น ยังเป็นไปได้ที่จะแยกแยะสถานที่ที่อะตอมดังกล่าวหายไป (ระบุด้วยลูกศร)

อะตอมซัลเฟอร์มีความละเอียดเป็นประวัติการณ์