Атом под микроскопом фото: Настоящее фото атома

Протеиновая вселенная: в Брно под микроскопом рассматривают атомы белков

Магда Заоралова, фото: Архив Магды Заораловой

Ранее под микроскопом можно было увидеть на атомном уровне металлы, но никак не белки, так что инновационный прибор, в создании которого приняли участие специалисты Брно, привлек большое внимание современного научного мира. Ему посвятил публикацию влиятельный журнал Nature.

«Берем пробирку с протеином. На предметное стекло наносим тонкий слой протеина, например 20 нанометров, что соответствует одной двухтысячной толщины человеческого волоса. Это слой должен быть настолько тонким, чтобы трансмиссионный электронный микроскоп был способен его просветить», – комментирует процесс своей работы Магда Заоралова, сотрудница лаборатории компании Thermo Fisher Scientific.

На мониторе компьютера появляется двумерная и трехмерная визуализация данных. «На первый взгляд, деталей мы видим не так уж и много. Однако после того как мы обработаем и соединим вместе десятки тысяч снимков, добьемся устранения шума. В результате мы получим картинку с разрешением на атомном уровне», – поясняет Магда.

Электронный микроскоп, иллюстративное фото: Дэвид Д. Морган, Flickr, CC BY-SA 2.0

На предметное стекло нанесен лошадиный апоферритин – белок, связывающий железо в виде комплексного соединения гидроокиси железа и фосфорной кислоты, то есть ферритина. В организме он обеспечивает всасывание в кишечнике железа и его депонирование по мере необходимости. Апоферритин присутствует практически в каждом живом существе на нашей планете.

«Чтобы добиться точности изображения, необходимо обеспечить как можно меньшее рассеивание электронов. Мы смогли получить разрешенияе от 0,7 до 0,3 электронвольтов», – объясняет менеджер группы разработчиков микроскопа Томаш Выставел.

«Когда электрон пролетает через подготовленный образец, необходимо отобрать электроны, рассеивающиеся упруго. Именно они позволяют создать контрастность. Мы разработали новый вид энергетического фильтра, который позволяет отобрать когерентно рассеивающиеся электроны. Те из них, который пролетают через фильтр, мы должны отслеживать при помощи детектора и инновационной камеры. Все вместе позволяет добиться разрешения до 1,2 ангстрема, при котором можно наблюдать атомы белков», – поясняет специалист.

Этот метод исследования станет более простой альтернативой существующей рентгеновской дифракции, то есть методу исследования структурных характеристик материала при помощи дифракции рентгеновских лучей.

Радован Спурны, фото: Архив Радована Спурного

«Сейчас мы способны быстрее разработать медицинский препарат с более низким количеством побочных эффектов, поскольку способны детально отслеживать взаимодействия, которые могли бы теоретически быть нежелательными для протеина», – поясняет исследователь Радован Спурны.

Инновационный микроскоп является разработкой международной команды специалистов, в которую входила и чешская группа. «Некоторые из наших ученых приняли участие в разработке новых камер, а особая команда работала над программным обеспечением для фильтров энергии и источников электронов», – пояснил Томаш Выставел.

Атомы на кончике иглы / Наука / Независимая газета

Современный электронный микроскоп – это фактически настоящий суперкомпьютер.

Фото Андрея Ваганова

Так уж получилось, что не в таком еще страшном 1933 году молодой и талантливый физик Георгий Гамов (1904–1968) попал на прием к ставшему уже почти всемогущим наркому Вячеславу Молотову, который спросил теоретика, зачем тот тащит с собой в Париж жену. На что Гамов вполне откровенно сказал, что той хочется купить себе шелковое французское белье и фильдеперсовые чулки. Удивительно, но наивная откровенность способствовала тому, что нарком поставил нужную подпись, и супруги отправились в столицу Франции на очередной конгресс.

Мария Склодовская-Кюри была уже в курсе всего того, что происходит в Союзе, и помогла Гамову остаться в их с мужем институте. Потом Гамовы перебрались за океан, в США, где наш ученый помогал решить проблему генетического кода и теоретически обосновал теорию Большого взрыва. По крайней мере он дожил до дня открытия остаточного фонового излучения, обнаружение которого помогло космологам и астрофизикам уверовать в то, что в начале Вселенной действительно был грандиозный по своим масштабам катаклизм.

А начал Гамов с теоретического объяснения альфа-распада, то есть «вырывания» из ядра альфа-частиц, имеющих два протона. Физики знали, что подобный вид распада существует, но не могли понять, каким же образом и за счет какой энергии столь массивная частица обретает способность преодолеть, казалось бы, непреодолимый энергетический барьер. Вполне в духе Нильса Бора, отважившегося заявить, что электрон в своем «стоянии» вокруг ядра не излучает энергии, Гамов постулировал, что альфа-частица, тоже по выходе из ядра не тратит энергии. Смелое откровение молодого ученого произвело эффект разорвавшейся бомбы. Тем не менее идея подбарьерного, а вернее, «туннельного» прохождения альфа-частиц была принята, а затем и подтверждена экспериментально┘

Прошло более полувека, прежде чем развитие электроники и высокоточной механики позволило создать аппарат, позволяющий использовать идею туннелирования для чисто практических целей. Сначала был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ – Scanning Tunneling Microscope), за что М.Ратнер и А.Авирам почти что сразу получили Нобелевскую премию.

Принцип работы СТМ заключается в том, что при достаточно близком подведении иглы микроскопа к токопроводящей поверхности между ними проскакивает «искра», вернее начинает проходить туннельный ток. Компьютер регистрирует высоту расположения движущейся иглы, в результате чего на дисплее появляется линия с подъемами и падениями. Игла проходит «галсами» над объектом исследования, в результате чего формируется «скан», или поверхностная картинка, например той же молекулы ДНК или бензола.

Со временем ученые научились с помощью СТМ перемещать по поверхности и атомы, которые буквально «липнут» к игле, несущей на своем кончике статический заряд. Так из атомов ксенона было выложено название компании, в исследовательском центре которой был создан СТМ.

Сегодня туннельный микроскоп помогает «сплавить» не соединимые иным способом полидиацетиленовые нанопроволоки и фталоцианиновые мономолекулярные диоды на графитовой поверхности. Вполне возможно, что со временем СТМ будет использоваться и для составления (stacking) интегрированных устройств, состоящих из транзистора и источника света. По крайней мере И.Кравченко из национальной лаборатории Оук-Ридж c коллегами по Флоридскому университету в г. Гэйнсвил сумели сильно уменьшить размеры и энергопотребление органических светодиодов. При этом диоды излучают в трех классических цветовых диапазонах, используемых с незапамятных времен в телевизорах.

Успеха удалось добиться за счет использования однослойных нанотрубок (SWNT – Single-Walled Nanotubes). Ученые отмечают, что их новое устройство вполне сравнимо с пикселями дисплея, управляемыми классическими транзисторами на кремниевой подложке. Их результаты получили подтверждение в университете штата Иллинойс, расположенном в г. Урбана-Шампань. Специалистам университета удалось создать устройства памяти, работающие при напряжении менее одного вольта и с потреблением энергии менее одного фемтоджоуля (10–15 джоуля) на бит информации.

В том же университете с помощью иглы микроскопа атомной силы (АFM – Atomic Force Microscope), служившей в качестве термодатчика, осуществили измерение температуры графенового транзистора. К удивлению ученых, транзистор не греет, а охлаждает подведенные к нему металлические контакты. Это необычное явление, не наблюдаемое в кремниевых транзисторах, получило название термоэлектрического охлаждения. О масштабах чувствительности можно судить по тому, что дистанционное разрешение при «обследовании» графен-металлического контакта составило 10 нанометров, а температура измерялась с точностью до 250 тысячных градуса Кельвина (мК).

Сейчас проводятся измерения тепловых эффектов и охлаждения нанотрубок в надежде на то, что в недалеком будущем по мере усовершенствования производства графеновых транзисторов термоэлектрическое охлаждение станет еще более выраженным. Ведь если удастся создать «холодный» компьютер, то айпэды и ноутбуки станут не толще листа бумаги. Ну, двух-трех листов, если вы уж так хотите – чтобы не гнулись и не образовывали складки.

Этот микроскоп показывает квантовый мир в безумных деталях

Просвечивающий электронный микроскоп был разработан, чтобы бить рекорды. С помощью пучка электронов ученые впервые увидели многие типы вирусов. Они использовали его для изучения частей биологических клеток, таких как рибосомы и митохондрии. С его помощью вы можете видеть отдельные атомы.

Но недавно эксперты раскрыли новый потенциал машины. «Это был очень резкий и внезапный сдвиг», — говорит физик Дэвид Мюллер из Корнельского университета. «Это было похоже на то, что все летали на бипланах, и вдруг появился реактивный лайнер».

Во-первых, команда Мюллера установила новый рекорд. Опубликовав в журнале Nature в июле этого года, они использовали свой телескоп для получения изображений с самым высоким разрешением на сегодняшний день. По его словам, для этого им пришлось создать специальные линзы для лучшей фокусировки электронов, что-то вроде «стекол» для микроскопа. Они также разработали сверхчувствительную камеру, способную быстро регистрировать отдельные электроны. Их новые изображения показывают тонкий, как бритва, слой толщиной всего в два атома атомов молибдена и серы, связанных вместе. Они не только могли различать отдельные атомы, они могли даже видеть их, когда расстояние между ними составляло всего 0,4 ангстрема, что составляло половину длины химической связи. Они даже смогли обнаружить пробел в повторяющемся узоре материала, где отсутствовал атом серы. «Они смогли сделать это прежде всего потому, что их электронная камера настолько хороша», — говорит физик Колин Офус из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, который не участвовал в работе.

Каждая точка на этом изображении представляет собой отдельный атом молибдена или серы из двух перекрывающихся, но скрученных листов толщиной в атом. Просвечивающий электронный микроскоп Корнельского университета, с помощью которого было сделано это изображение, побил в июле этого года рекорд для микроскопа с самым высоким разрешением. Дэвид Мюллер/Корнельский университет

Теперь остальные специалисты требуют оснастить свои прицелы аналогичными камерами, говорит Мюллер. «Вы можете увидеть все то, чего раньше не могли», — говорит он. В частности, Мюллер изучает тонкие материалы толщиной от одного до двух атомов, обладающие необычными свойствами. Например, недавно физики обнаружили, что один тип тонкого материала при определенном наслоении становится сверхпроводящим. Мюллер считает, что микроскоп может помочь раскрыть механизмы, лежащие в основе таких свойств.

Когда дело доходит до микроскопического увеличения, электроны принципиально лучше, чем видимый свет. Это потому, что электроны, обладающие волнообразными свойствами благодаря квантовой механике, имеют длину волны в тысячу раз короче. Более короткие волны дают более высокое разрешение, так же как более тонкая нить может создать более сложную вышивку. «Электронные микроскопы — почти единственная игра в городе, если вы хотите смотреть на вещи в атомном масштабе», — говорит физик Бен МакМорран из Орегонского университета. Забрасывание материала электронами и обнаружение тех, которые прошли, дает детальное изображение этого материала.

Постдокторант Чжэнь Чен сделал рекордные снимки с помощью специально разработанного микроскопа в Корнельском университете.

Дэвид Мюллер/Корнельский университет

Этот микроскоп может видеть до отдельных атомов

Граница зерен в кристалле иттрий-алюминиевого граната. Изображение: Q M Ramasse, M Schaffer SuperSTEM Laboratory, K Marquardt GFZ Postdam

FYI.

Этой истории больше 5 лет.

​По мере того, как наши устройства становятся все меньше, уменьшаются и материалы, которые мы используем для их изготовления. А это значит, что вам нужно подойти очень близко, чтобы увидеть их. Очень близко. Новый электронный микроскоп, представленный на национальном объекте SuperST​EM в Великобритании, позволяет получать изображения объектов с беспрецедентным разрешением вплоть до отдельных атомов.

SuperSTEM финансируется Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC) и имеет три электронных микроскопа, которые могут использовать британские ученые. Новейший был представлен в прошлом месяце: сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп Nion Hermes стоимостью 3,7 миллиона фунтов стерлингов (5,5 миллиона долларов США), который, по словам EPSRC, является одним из трех в мире. Он может отображать объекты в миллион раз меньше человеческого волоса.

Реклама

Ограненная нанопустота в алмазе. SuperSTEM использовался для понимания происхождения коричневого цвета природного алмаза. Изображение: Годфри И. (Лаборатория SuperSTEM, Манчестерский университет)

«По сути, мы можем смотреть на материалы или большинство вещей, которые мы помещаем в микроскоп, вплоть до атомного масштаба», — сказал Квентин Рамас, научный директор лаборатории SuperSTEM. «Таким образом, мы можем регулярно видеть отдельные атомы и столбцы атомов».

Это потому, что в электронных микроскопах используется пучок электронов, а не фотонов, как в обычном световом микроскопе. Поскольку у электронов длина волны гораздо короче, чем у фотонов, вы можете получить гораздо большее увеличение и лучшее разрешение.

HAADF-микрофотография богатого медью и серебром осадка в сплаве на основе алюминия. Изображение: Ф. С. Хаге, Д. М. Кепаптсоглу, К. М. Рамассе, лаборатория SuperSTEM и С. Веннер (Норвежский технический национальный университет, Тронхейм)

Зачем вам вообще хотеть видеть что-то настолько подробное? Наиболее очевидным, по словам Рамасса, является то, что мы всегда пытаемся миниатюризировать устройства, а это означает, что нам нужно миниатюризировать такие детали, как транзисторы и полупроводники, «а это означает, что вам нужно разрабатывать материалы или компоненты материалов, которые действительно меньше».

Доходит до того, что изменение материала даже на атом или два может изменить его свойства. Подумайте, например, о графене, представляющем собой чудо-материал: двумерный слой атомов углерода. Добавьте еще один атом здесь или там, и вы изменили материал и потенциально изменили то, что он может делать. Поэтому важно следить за точной структурой.

Один проект SuperSTEM был связан с центрами по другому двумерному материалу, дисульфиду молибдена. Его можно использовать в качестве промышленного катализатора, например, для удаления серы из ископаемого топлива. Датская химическая компания Haldor Topsoe использовала электронные микроскопы, чтобы изучить, как перегруппировка атомов может повлиять на его каталитические свойства.

Реклама

В какой-то степени это просто вопрос возможности видеть то, что есть на самом деле.

Наночастица дисульфида молибдена толщиной в один атом на тонкой графитовой подложке. чтобы проверить, достаточно ли молекула лекарства прикреплена к наночастице, действующей в качестве средства доставки лекарства, поскольку «вы хотите убедиться, что связь прочная, чтобы она не исчезла в организме».

И в то время как наиболее очевидные приложения находятся в химии, он сказал, что микроскопы также используются для некоторых вещей «немного больше», например, для изучения кристаллической структуры частиц пыли из метеоритов.