Атом под микроскопом фото: Настоящее фото атома

Электронный микроскоп позволяет отследить динамику формирования металлической связи между атомами

Нанотехнологии

Химия, физика, исследования материи

27 января 2020

+7 926 604 54 63

address

Связь Re₂ на углеродном субстрате. University of Nottingham.

Физики из университетов Ноттингема и Ульма получили и зафиксировали изображение движущейся связанной пары атомов рения (Re₂) в углеродной нанотрубке — полом цилиндре размерами порядка нанометров, который служит «испытательным полигоном» для исследования свойств некоторых атомов. Результаты исследования опубликованы 17 января в статье в Science Advance.

Для исследования вещества на околоатомном уровне долгое время использовались методы спектроскопии, дающие косвенную информацию о структуре молекул и их связях. С появлением электронной микроскопии и других методов получения прямого изображения на уровне отдельных атомов физики всё больше интересуются возможностью заснять атомы и проследить за формированием их связей. Пока что такой фиксации поддаются только некоторые простые системы атомов, и попутно приходится преодолевать множество трудностей с подготовкой системы и выделением полезного сигнала.

Получение «фотографий атомов» в обычном понимании невозможно в принципе, и дело здесь не в увеличительных способностях техники. Детальность изображения микрообъектов имеет естественный предел — длину волны света, которым объекты освещаются. Видимый свет имеет характерные длины волн около 500 нм. Всё, что меньше этого размера будет отображаться как расплывчатое пятно, а объекты ощутимо меньше — не будут видны вообще: волна просто пройдёт, «не заметив» их. Характерные размеры атомов измеряются нанометрами, а длины связей имеют размеры в доли нанометра.

Логотип IBM, «набранный» из отдельных атомов ксенона (1989).

В 2018 году по научно-популярным сообществам распространилась «фотография» единичного атома стронция в обычном свете, подвешенного в вакуумной камере и освещаемого лазером со светом определённой длины волны. Автор получил за неё первый приз на популярном конкурсе научной фотографии. Секрет «фокуса» заключается в том, что освещаемые ультрафиолетовым светом со строго определённой частотой атомы переизлучают свет уже в видимом диапазоне, который и можно зафиксировать с длительной экспозицией. Это не фотография атома, а фактически рисунок светового пятна от него значительно больших размеров. Подобным образом в сети ходят другие более старые «фотографии атомов», полученные при помощи подобных трюков. Например, одним из самых ранних стал снимок инженеров IBM, в 1989 году выложивших отдельными атомами ксенона логотип фирмы. Более известны полученные уже в XXI веке многочисленные изображения различных поверхностей с субатомным разрешением, в частности, золотых или графитовых пластинок, выполняемые при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Здесь также нельзя говорить о фотографии в строгом понимании термина — в качестве «источника света» работает туннельный ток между участками поверхности и электродом устройства, а само изображение получается последовательно перемещением его вдоль поверхности, как в сканере.

Для получения именно «изображения атома» требуется свет со значительно меньшей длиной волны, порядка нанометров и меньше. Это область рентгеновского излучения, и такие фотоны обладают ощутимой энергией, чтобы исказить картину или даже разрушить объект, выбив атом из решётки или разрушив атомную связь. Поэтому фотографирование атомов, как и других микрообъектов — это всегда нахождение в «вилке» возможностей: компромисс между разрешающей способностью прибора и целостностью квантового объекта в результате «фотосессии». Это проблема, лежащая в основе квантовой механики и заложенная в её постулаты, в частности она проявляется в фундаментальном принципе неопределённости Гейзенберга.

Кроме рентгеновского излучения, в качестве «источника света» можно использовать и другие объекты. Так, для исследования связи в этом атоме Re₂, или ди-рения, используется трансмиссионная электронная микроскопия (TEM). Рений — довольно тяжёлый элемент по сравнению с «подложкой» из углеродной нанотрубки, поэтому на изображении от просвечивающего электронного микроскопа их пара чётко проявляется как два тёмных пятна в отличие от полупрозрачных пятен от атомов углерода. Электронный пучок в этой задаче имеет двоякое применение: он служит «источником света» для изображения, и в то же время передаёт энергию для двойного атома, которая позволяет наблюдать его перемещение по подложке, а также образование и разрыв металлической связи в динамике. На серии последовательных снимков, которые смонтировали в 18-секундный ролик, видно, как по мере движения пары атомов изменяется расстояние между ними, напрямую связанное с кратностью (порядком) связи, в зависимости от локального атомного окружения пары.

Типичные рабочие изображения «молекулы» Re₂ внутри углеродной нанотрубки в просвечивающем электронном пучке. Рис. из: Cao et al. (2020), Sci. Adv. 6(3), eaay5849.

Связь между атомами металлов (M-M) на сегодня — самый неизученный тип химической связи между атомами в молекуле или кристаллической решётке. Исследовательская группа является одной из первых, начавших использовать электронную микроскопию в проходящем пучке для изучения динамики химических реакций и небольших кластеров из атомов металла в углеродных нанотрубках. Адсорбирование на такой подложке оказалось хорошим способом точного позиционирования и подготовки пары атомов, позволяя получить металлическую связь «в чистом виде», без артефактов, связанных с упаковкой атомов в кристалле. Изображение эволюции металлической связи в связи с прохождением «молекулы» Re₂ по нанотрубке в этом эксперименте получено впервые. Трансмиссионная электронная микроскопия как аналитический инструмент сейчас набирает популярность; возможно, этому способствовала и Нобелевская премия 2017 года по химии «за развитие криоэлектронной микроскопии для исследования биомолекул». Сам метод в будущем обещает стать стандартным инструментом исследования структуры молекул и динамики химических реакций в той же мере, как сейчас для исследования состава вещества используется спектроскопия.

Пара из атомов рения, перемещающаяся по двум углеродным нанотрубкам с разрывом и повторным образованием металлической связи.

Нанотехнологии

Химия, физика, исследования материи

Микроскопия от «увидеть» до «потрогать»

Страница из труда Генри Бейкера — своеобразного «учебника по микроскопии» — изображает однолинзовый микроскоп его современника Антони ван Левенгука.

Разница между открытой и закрытой платформами делается понятной при взгляде на микроскопы Интегра (слева) и Солвер (справа).

‹

›

Открыть в полном размере

«Вся философия, — сказал интеллектуал XVII века Фонтенель, — основана на двух вещах: любопытстве и плохом зрении». Человек всё время пытается понять больше, чем может увидеть глазами. Поэтому первые микроскопы произвели в просвещённом европейском обществе фурор. Конструкция из выпуклых и вогнутых линз подтвердила то, о чём давно, но бездоказательно говорили натурфилософы: на самом деле вещи устроены совсем не так, как выглядят снаружи. На микроуровне гладкое оказывается шероховатым, сплошное — прерывистым, целое — состоящим из кусочков, и от устройства этих кусочков, возможно, зависят свойства целого. Энтузиазм, с которым был воспринят открывшийся глазу микромир, сравним разве что с сегодняшним пафосом нанотехнологий: казалось, ещё чуть-чуть, и человек увидит наконец собственными глазами, из чего состоит вещество; обнаружит гармонию, симметрию и эстетику, которую (как учила вся предшествующая умозрительная премудрость) Бог/природа заложили в материю с целью преподнести человеку некий моральный урок.

Реальность — к сожалению или к счастью — не оправдала этих страстных и нетерпеливых ожиданий. Вместо гармонии, симметрии и моральных уроков Левенгук показал человечеству сперматозоид, и это ещё был один из лучших результатов.

История не даёт точного ответа на вопрос, кто изобрёл первый микроскоп; она, скорее, склонна хранить имена тех, кто достиг в устройстве совершенства, нежели создателей сырого прототипа. Однако с высокой долей вероятности первенство приписывается Янсенам, голландскому семейному предприятию изготовителей очков для чтения, и датируется 1590—1595 годами. Известно, что янсеновский двухлинзовый микроскоп увеличивал в 9 раз и что оптика стала для Янсена-младшего полезным хобби — он промышлял чеканкой фальшивых монет.

В начале XVII века микроскоп представлял собой популярнейший гаджет — в любом уважающем себя доме ему полагалось украшать кабинет хозяина независимо от рода занятий последнего. Изготовление микроскопов для интерьера сделалось было хорошей коммерцией, но ненадолго, потому что научная применимость прибора вызывала всё больше скептицизма. В погоне за увеличением терялось разрешение — качество изображения было тем хуже, чем крупнее план. Кроме того, единственным способом зафиксировать картинку на бумаге был художественный талант наблюдателя, а сам наблюдатель часто грешил интерпретациями, вкладывая в описание картинки то, что он ожидал на ней увидеть. «Глаз пчелы имеет вид выпуклого овала, чёрного, испещрённого бесчисленными отверстиями, подобно напёрстку, и, что ещё удивительнее, мы видим, что эти поры представляют собой многоугольники, подобные сотам, и в них торчат волоски, как в порах человеческой кожи. Отверстия же не сквозные, а представляют собой углубления в роговице…» — это описание можно считать одним из наименее фантастических. Много и эффективно потрудившийся для науки голландец Николаас Хартсокер в 1694 году честно «увидел» внутри сперматозоона микроскопического младенца, а англичанин Вильям Крун в 1671-м — цыплёнка в зародыше куриного яйца.

Помимо добросовестных ошибок интерпретации, когда тени и помехи принимались за структурные особенности препарата, весьма относительная проверяемость данных, полученных под микроскопом, служила питательной средой для разного рода мошенников. Левенгуку довелось разоблачить одного из таких шарлатанов: «черви, пожирающие сукно», которыми сообразительный микроскопист запугивал сукноторговцев, оказались заранее нанесённой на линзы перфорацией.

Левенгук стал одним из главных участников научной коммуникации XVII века. Однако позже Генри Бейкер, английский натуралист и автор первых учебников по микроскопии, был вынужден констатировать, что Левенгук либо частично выдумал свои наблюдения, либо — что вероятнее — продемонстрировал Королевскому научному обществу наименее совершенные из своих инструментов, а самые совершенные, которые сделали возможными его исключительные результаты, утаил. Антони ван Левенгук был коммерсант — всю жизнь успешно торговал гардинами, он и линзами впервые занялся, чтобы дотошно изучать качество тканей; цену своим достижениям в области микроскопии отлично понимал и не стремился ими делиться.

Дорога за пределы света

Ко второй половине XVII века микроскопии уже удалось многое. Уже увидели эритроциты и двухклеточную стадию развития оплодотворённой лягушачьей яйцеклетки. Уже Роберт Гук описал клетку пробки (и ввёл сам термин «клетка» в научный обиход), а Марчелло Мальпиги, анатом из Болоньи, показал, что кажущиеся однородными ткани человеческого тела имеют сложную структуру. «Но что это даёт практической медицине?» — спрашивал оппонент Мальпиги болонский профессор медицины Джироламо Сбаральи. Знание структуры костной ткани не помогает сращивать переломы, наблюдения за сперматозоидами не способствуют лечению бесплодия; всё, что можно было сколько-нибудь достоверно увидеть в микроскоп, уже увидели. «Общеизвестно, что микроскопические исследования не принесли медицине никакой пользы», — резюмировал он.

Напрасно Гук в посвящённых микроскопии работах уверял, что главные открытия впереди. Научная общественность «голосовала ногами»: микроскопы перестали покупать. Из отрасли ушли деньги, и она замерла до 1830 года.

Дело в том, что микроскопы Левенгука «видели» так много и так хорошо отчасти потому, что были однолинзовыми. Громоздкие, неэстетичные и неудобные, при достаточной оптической силе линзы такие устройства позволяли получать высокоинформативные изображения, а в деле изготовления линз Левенгуку не было равных. Составные же микроскопы, удобные и элегантные кабинетные игрушки, которыми увлекалось большинство производителей XVII века, стремились наращивать увеличение, совмещая в своём устройстве несколько линз, однако результат получался пусть и «крупнее», но гораздо менее информативный, дающий большой простор фантазии интерпретатора. Световые лучи преломляются под разными углами в зависимости от длины волны и, кроме того, по-разному отражаются от линзы в разных точках в зависимости от её кривизны. Поэтому результирующая картинка, наблюдаемая в составной микроскоп, оказывалась «зашумлённой», искажённой по краям и тем более дефектной, чем больше использовалось линз. Только в 1830 году этот порок составных микроскопов удалось преодолеть, связав показатели преломления лучей с расстоянием между линзами. В конце XIX века лучшие микроскопы позволяли разглядеть структуры до одного микрона. Ещё сто лет потребовалось, чтобы достичь физического предела: с появлением конфокальных лазерных микроскопов границы «видимости» раздвинулись до теоретически возможных 200 нм. Однако уже в 1933 году был предложен способ, как перешагнуть и этот рубеж, такая возможность появилась с изобретением электронного микроскопа.

Сегодня сосуществуют на равных три основных направления в микроскопии: оптическая, электронная и зондовая. Первые два похожи между собой по набору принципиальных возможностей и ограничений, а вот третье — зондовая микроскопия — отличается очень сильно. В чём же это отличие?

От микроскопа к «нанощупу»

В фильме известного режиссёра Джима Джармуша «Ночь на земле» парижский таксист — грубоватый мужлан африканского происхождения — везёт слепую девушку, бледную, изящную и утончённую. Он её спрашивает: «Вы не носите чёрных очков, разве слепые не всегда носят чёрные очки?» На что она отвечает: «Понятия не имею! Я никогда не видела слепых». Но когда таксист решил из жалости скинуть четверть цены за поездку (по незнакомому для неё пути), девушка возмутилась и назвала правильную цену по счётчику с ошибкой меньше 1%. Она чувствовала расстояние!

Световой микроскоп — это прибор, предназначенный для усиления возможностей человеческого зрения. По сути, это очень сложная надстройка к глазу, изощрённая система линз и осветителей, увеличивающих объект и делающих его более контрастным. Естественно, то, что меньше 200 нм, в оптический микроскоп увидеть по-прежнему невозможно, но «невозможно» в микроскопии означает вот что. Точечные объекты всегда предстают перед «вооружённым глазом» как некое распределение оптического сигнала. По формальному критерию, принятому в аппаратных наблюдениях, они считаются отдельными, если распределение сигнала от них перекрывается не больше чем на две трети. Если они расположены так близко друг от друга, что перекрытие сигнала больше этого условного значения, наблюдатель обязан рассматривать объект как единичный.

Когда мы имеем дело с волной, мы не можем «собрать» её в пучок ýже, чем половина её длины. Поэтому минимальное расстояние, на котором можно распознать объекты как отдельные, это половина длины волны излучения, создающего оптический сигнал. Видимый глазом свет имеет длины волн от 400 нм (синий) до 750 (красный). То есть если наблюдения проводить в синем свете, то принципиальным ограничением как раз и будут те самые 200 нм. Следовательно, «последнее», что видно в оптический микроскоп, это некоторые внутриклеточные структуры: например, митохондрии или ядро. Можно увидеть и хромосому, а вот ДНК внутри хромосомы — уже нет, потому что диаметр нити ДНК — всего 2,5 нм.

Этот физический барьер преодолевают электронные микроскопы. Они работают по тому же принципу, что оптические, только вместо луча света используется пучок электронов, потому что его длина волны значительно короче — десятые и сотые доли нанометра. Однако электрон, во-первых, всё «бомбит» на своём пути, будучи высокоэнергетической частицей, а во-вторых, разгоняется только в вакууме, соответственно в вакууме должен находиться и препарат. Поэтому «живые» образцы исследовать методами электронной микроскопии невозможно.

Сканирующая зондовая микроскопия, которая появилась в 80-е годы прошлого века, основана на совершенно ином принципе. Такой микроскоп не «видит», а «чувствует» объект с помощью специальной иголки — зонда. Зонд позволяет регистрировать очень слабые взаимодействия (притяжение, отталкивание, электрический ток), которые возникают между атомами острия зонда и атомами поверхности. Зондовый микроскоп последовательно ощупывает исследуемый участок поверхности — сканирует его, строчка за строчкой.

Такой подход имеет свои плюсы и минусы. Например, если человек действует только на ощупь, он не знает, прозрачен предмет перед ним или нет. Так и СЗМ (сканирующая зондовая микроскопия) даёт информацию только о поверхности объекта. Правда, в отличие от человека, прибор может собирать гораздо больше информации о ней. Например, зонд может «чувствовать» распределение магнитных полей над поверхностью, строить карту вольт-амперных характеристик или определять степень «липкости» (по-научному — адгезивности) в каждой точке исследуемого участка. И всё это с пространственным разрешением вплоть до единиц нанометров (разрешение определяется только тем, насколько острый у зонда кончик, который непосредственно взаимодействует с образцом).

Ещё одно принципиальное отличие СЗМ от двух других разновидностей микроскопии — световой и электронной состоит в том, что сканирующий микроскоп строит карту поверхности с точными количественными значениями измеряемого параметра в каждой точке. Например, в самом простом случае это рельеф. Поскольку микроскоп совершенно точно «знает», на какую высоту ему пришлось поднять или опустить зонд, прежде чем остриё коснулось поверхности, любые две точки на исследуемом участке можно сравнить между собой. Но если глазом на местности (или «усиленным» глазом в микромасштабе) мы в лучшем случае можем качественно сравнить две неровности (выше-ниже), то СЗМ даёт точное количественное значение — точка А находится на 27,3 нм выше, чем точка Б.

Специалисты утверждают, что 70% людей бóльшую часть информации о внешнем мире получают через зрение. Однако у каждого из нас есть несколько каналов, по которым мы можем, хотя бы потенциально, исследовать мир, — зрение, осязание, вкус, обоняние, слух, некоторые говорят ещё об интуиции… Наверное, было бы здорово соединить вместе сразу несколько разновидностей микроскопии, чтобы воспользоваться преимуществами каждого из подходов. Именно в этом направлении шло развитие СЗМ, и, как оказалось, естественное и понятное желание исследовать один и тот же объект всесторонне привело к совершенно неожиданным результатам.

«Одинокий голос» молекулы

За более чем четырёхвековую историю существования световой микроскопии учёные приспособили свет для получения гораздо более обширной информации об объекте, чем просто возможность его рассмотреть. Например, умение раскладывать свет в спектр, то есть анализировать соотношение разных по характеристикам квантов, открыло путь для спектроскопических исследований. Луч света может взаимодействовать с веществом, при этом соотношение квантов с разными характеристиками (спектр) меняется. Облучая образец светом известного состава и анализируя спектр отражённого или прошедшего насквозь света, мы можем узнать о том, какие молекулы входят в состав образца и как они связаны друг с другом, в каком состоянии находится кристаллическая решётка кристалла, есть ли в ней напряжения, дефекты, и получить ещё много другой полезной информации.

Понятно, что любой из методов оптической спектроскопии основан на использовании луча света, а значит, ограничен в пространственном разрешении физическим пределом в 200 нм. Именно таков минимальный диаметр пятна, в которое мы можем сфокусировать луч синего света с помощью самой совершенной оптики. Поэтому в лучшем случае у нас получится «познакомиться» одновременно с несколькими сотнями, иногда десятками молекул, но никогда — с одной молекулой.

Есть ещё одна проблема — интенсивность сигнала. Представим, что на рок-концерте исполнитель предлагает: «А теперь все вместе!» И половина слушателей (которые знают слова) начинают петь. Получается тише, чем в динамиках, но всё-таки слышно. А если вдруг музыкант со сцены позовёт Васю и Вася откликнется, то его за шумом никто не услышит. Услышать «голоса молекул» помогает исследователю один из самых востребованных сегодня методов — спектроскопия комбинационного рассеяния. Она даёт информацию и о том, какие молекулы есть в образце (своего рода химический анализ), и о том, в каком состоянии эти молекулы находятся. Но комбинационное рассеяние квантов света происходит редко — из 10 миллионов квантов, которые падают на молекулу, только один рассеивается с потерей энергии (именно эта потеря и даёт характерное изменение спектра). Если у нас миллион одинаковых молекул, то со временем мы сможем накопить достаточное количество «изменённых» квантов, чтобы их можно было достоверно зарегистрировать — выделить из шума и посчитать. Но если мы хотим обнаружить только одну молекулу, придётся ждать годы!

Когда исследователи соединили вместе оптический микроскоп с зондовым, просто для того, чтобы и видеть и чувствовать объект одновременно, проблема спектроскопии молекул разрешилась неожиданным образом.

Дело в том, что на наноразмерных неровностях свет ведёт себя особым образом. В частности, теория предсказывает, что при определённых соотношениях материала, размеров и формы наночастиц сигнал комбинационного рассеяния на них может усиливаться в миллионы раз. Это свойство света оказалось бесценным для исследований в наномасштабе. Представим себе луч лазера (в современных оптических микроскопах используется именно такой свет), сфокусированный в пятнышко диаметром 200 нм, и внутри этого пятнышка находится зонд с наночастицей серебра на острие. При сканировании поверхности исследователь получает сигнал комбинационного рассеяния из каждой точки одновременно с данными о высоте рельефа, а также об отражении и пропускании света. Если в процессе сканирования в пятно света попадёт интересующая нас молекула, она начнёт давать сигнал, но сигнал будет очень слабым, и мы его не сможем заметить. Но как только молекула окажется вблизи наночастицы серебра на острие зонда, сигнал от неё возрастёт многократно и станет вполне измеримым.

Отечественный прибор Интегра Спектра, в котором соединены вместе два микроскопа — оптический и зондовый, был включён в престижный список 100 лучших мировых разработок, по версии американского журнала R&D* за 2006 год, когда стало понятно, что такое соединение позволяет решить сразу две проблемы — слабого сигнала комбинационного рассеяния и низкого пространственного разрешения оптических методов спектроскопии в целом. В 2010 году две лаборатории — в Швейцарии и Великобритании — независимо друг от друга получили с помощью российского прибора разрешение при спектроскопии молекул 15 и 14 нм соответственно.

Не следует думать, что пространственное разрешение до молекул методами зондового сканирования — это тривиальная задача. Поражающая воображение картина атомной решётки, «увиденной» с помощью зондового сканирующего микроскопа, на самом деле изображает не непосредственно атомы, а распределение туннельного тока между металлической иглой зонда и поверхностью в разных точках. Конечно, можно достаточно уверенно сказать, что такое распределение, скорее всего, обусловлено атомарной решёткой и что рисунок этих «круглых горбушек», скорее всего, отражает строение атомарной решётки. Но это не значит, что мы «ткнули» в атом иголкой и «ощупали» его. За возможность «увидеть» с помощью туннельного сканирования атомную решётку Герд Карл Бинниг и Генрих Рёрер из цюрихской лаборатории IBM получили Нобелевскую премию в 1986 году. Но на то, чтобы «ощупать» атом зондом непосредственно, потребовалось ещё пятнадцать лет.

Сейчас это умеют делать научные микроскопы в специальной комплектации. Разумеется, зонды тоже нужны специальные, потому что у двадцатидолларового кремниевого зонда радиус кривизны примерно 10 нм, а атомный масштаб — это доли нанометра. Нанометровые зонды производители делают каждый по-своему: кто выращивает усик, кто приклеивает нанотрубку, кто затачивает остриё ионным пучком. Общая между такими зондами только цена: порядка тысячи долларов. «Поскрести атом» — это пока весьма дорогое удовольствие.

Зато «поскрести иголочкой молекулу» потенциально может уже любой старшеклассник.

Микроскоп «антивандальный»

Прибор под названием «Наноэдьюкатор» похож одновременно на кухонный тостер и на антивандальную телефонную будку, и это сходство не случайно.

Идею подал Жорес Алфёров ещё в 2002 году. Уже было понятно, что зондовый микроскоп станет одним из главных инструментов для работы в наномасштабе, и появилась революционная мысль: сделать сканирующий зондовый микроскоп для студентов.

Революционная — потому, что профессиональный зондовый микроскоп — устройство хрупкое, нежное и дорогое. Студентов к нему не подпускают по двум причинам: во-первых, студент его почти наверняка сломает, а во-вторых, купить новый на замену мало какой отечественной лаборатории по карману, не говоря о средней школе. Учебный прибор по определению должен быть на сто процентов fool-proof — «дуракоустойчивым», дешёвым в эксплуатации — и при этом оставаться зондовым микроскопом.

Решением этой парадоксальной задачи стал Наноэдьюкатор.

В профессиональных научных приборах для СЗМ важный элемент сам зонд — кремниевая «иголочка», обычно ещё и подвешенная на кремниевой «ниточке». Конструкция хрупкая, ломается легко, для научной лаборатории — расходный материал, потому что стоит порядка 20 долларов. Но тратить 20 долларов за один урок для школьников или студентов в 2002 году было нереалистично. Поэтому принципиальными вопросами в разработке стали «неубиваемость» учебного прибора и его дешевизна. Корпус Наноэдьюкатора согнут из металла, вся начинка жёстко прикручена внутри, а зондом в учебной модели служит вольфрамовая проволочка — дешёвая, поставляется сразу метрами. Из проволочки электрохимическим способом вытравляется заострённая вольфрамовая игла, которую можно затачивать самостоятельно неограниченное количество раз. Интересен и интерфейс — несколько приборов соединены в сеть, а преподаватель со своего компьютера может не только видеть, что делает каждый из студентов на своём приборе, но и перехватывать управление, если студент слишком уж очевидно намеревается совершить ошибку. Возможно и дистанционное управление по сети интернет.

Вторая версия Наноэдьюкатора получила признание в R&D-100 в 2011 году за идею универсального «микроскопа-трансформера». Дело в том, что если заменить вольфрамовый зонд Наноэдьюкатора на стандартный кремниевый, то школьный тренажёр превращается в полноценный научный прибор.

Новый Наноэдьюкатор логично замкнул продуктовую линейку компании НТ-МДТ. Это младший брат другого лауреата списка R&D-100 — Солвера Некст, который по революционности заложенной в него идеи можно сравнить с «цифровой мыльницей» в области фотографии, а в автомобильной истории — с автоматической коробкой передач.

Четырнадцать моторов вместо десяти пальцев

Один из самых мощных трендов во всех наукоёмких отраслях — создание прибора настолько «самостоятельного», чтобы за него можно было посадить любого неподготовленного человека. Солвер Некст — образец вторжения этой идеологии туда, где она казалась неприменимой. Десятки настроечных винтиков, которые в микроскопах с открытой платформой человек крутит пальцами, в Солвере Некст заменяют четырнадцать моторов. Настройки программируются автоматически. Оператору в большинстве случаев остаётся вставить образец и несколько раз нажать на кнопку в управляющей программе.

Про учёных часто говорят: у одного «есть руки», и у него прибор работает, а у другого «руки не так растут», и прибор барахлит. Чтобы получить результат на зондовом микроскопе, мало просто крутить, надо очень многое чувствовать буквально на кончиках пальцев. Поэтому мотор очень отличается от человеческих рук, и сделать его если не таким же, то почти таким же «умным» — задача из категории вызывающих. Во-вторых, моторы шумят. Размещать рядом с иголочкой, которая чувствует нанометры, источник механической вибрации — это всё равно, что проигрывать виниловую пластинку, скача верхом на лошади. Поэтому не удивительно, что первая версия Солвера задержалась с выпуском года на два против плана, прежде чем всё заработало и смогло быть сертифицировано по международным стандартам зондовой микроскопии.

Продолжая аналогию с автоматической коробкой передач, которую некоторые считают решающим фактором эмансипации женщин, «эмансипирующий эффект» Солвера Некст трудно переоценить. Традиционно люди, работающие с зондовыми микроскопами, приобретают квалификацию годами. (И это ещё неплохо, потому что на то, чтобы в совершенстве освоить электронный микроскоп, нужны десятилетия.) Студент начинает работать с прибором на четвёртом курсе — осторожно и под присмотром; потом защищает диплом по зондовой микроскопии и ещё три года работает в ней как аспирант, прежде чем, наконец, сделается не страшно подпустить его к прибору одного. А за Солвер можно посадить лаборанта, вчерашнего школьника, вооружённого пошаговой инструкцией, где первым пунктом идёт «включить в розетку», и, пока он будет делать тысячи рутинных измерений, учёный может заняться наукой. Кажется, это называется разделением труда.

Комментарии к статье

*R&D — американский журнал Research & Development («Исследования и разработки»). Каждый год он составляет список ста самых интересных разработок мира, коммерциализованых в прошедшем году, причём оценивается именно идея. В своё время в список R&D-100 попадали фотовспышка, ксерокс, пластырь от курения, HD-телевизоры.

Коронавирус COVID-19 под микроскопом возможно ли увидеть?

Skip to navigationSkip to content

Блог о микроскопах

03.04.202019.03.2022

Larisa

Коронавирус COVID-19 под микроскопом выглядит как сфера с множеством небольших отростков, придавая ему своеобразный внешний вид. Но, чтобы получить фотографии вирусов семейства коронавирус, вам потребуется сложный, специальный электронный микроскоп с огромным увеличением и предварительной сложнейшей обработкой образца. Мы не говорим здесь — увидеть в окуляр микроскопа, тем более любительского класса. И вот почему.

Большая часть изученных вирусных частиц (за исключением гигансктих вирусов) имеет очень малые размеры — от 20 до 300 нанометров (0.02 — 0.3 микрометра), По этой причине вирусы либо вообще нельзя увидеть, либо они труднонаблюдаемы, да и то в виде точки на пределе возможностей в оптический микроскоп. Не забывайте, разрешающая способность классической световой микроскопии находится в пределах 0.4 микрометра (400 нанометров) для видимого спектра излучения (берется средняя длина волны λ = 0.5 мкм). Это касается лучших образцов оптических приборов (классическая микроскопия) и специальной обработки исследуемого объекта. Размеры SARS-CoV-2 фиксируются в пределах 50-200 нанометров, что делает их недоступными для исследования в обычные оптические микроскопы.

⇐ Изображение вируса через электронный микроскоп (вирус окрашен желтым цветом). По данным wikipedia.org.

Это связанно с физическими особенностями световых волн и так называемой дифракцией на объективе. Более подробно о разрешающей способности оптических систем можно ознакомиться здесь — Разрешение.

Мы попробуем рассказать о вирусе SARS-CoV-2 немного более подробно и показать вам профессиональные снимки в электронные микроскопы (в основном это трансмиссионные электронные микроскопы) из различных лабораторий.

Общее строение коронавируса COVID-19 и фотографии в электронные микроскопы

Коронавирусы известны медицине уже не первый год. По данным на 2020 год семейство этих вирусов насчитывает порядка 40 инфекционных агентов (видов), способных воспроизводится в клетках животных и человека и тем самым наносить им вред. Свое название данный вирус получил из-за характерной особенности строения — сферу с шиповидными отростками, напонинающими солнечную корону.

Патоген SARS-CoV-2 (коронавирус COVID-19) на 94% схож с хорошо известным коронавирусом SARS-CoV, вызвавший ранее вспышку атипичной пневмонии (первый случай в 2002 году), но с совершенно новыми, необычайными свойствами. Это РНК — вирус с достаточно быстрой возможностью мутировать. На данный момент (27 апреля 2020 года) известно три штамма SARS-CoV-2.

Модель строения коронавируса приведена на этом изображении:

Коронавирусы являются сложнейшими инфекционными агентами подобного рода, известные науке. Они обладают крупной молекулой РНК (26-30 килобаз). В целом геном коронавирусов способен кодировать четыре важных структурных белковых молекул, это S — гликопротеин, M — мембранный гликопротеин, E — оболчка, N — нуклеокапсид. Все эти белки помогают вирусу проникать в клетку и размножаться внутри ее. Коронавирус обладает сложной структурой белковой оболочки, что отличает их от других известных нам на сегодняший день вирусов. «Корона», которую вы видите на схемах, 3D-моделях и фотографиях, выполняет особую функцию — учавствует в заражении донорской клетки. С помощью гликопротеинов S (это и есть отростки-короны) происходит иммитация полезных S-протеинов мембраны здоровой клетки, что затрудняет распознование вируса имунной системой. Не забывайте об этом и будьте осторожны!

Обманутая клетка, а точнее рецепторы этой клетоки, наничают самостоятельно «крепить» коронавирус к своим мембранам, происходит надежная сцепка с фальшивыми S-молекулами короны. После этого S-рецептор вируса открепляется и продавливает мембрану, образуя возможность впрыска молекулы РНК в донорскую клетку животного или человека. Все это в свою очередь запускает механизм репликации молекулы РНК и нужных белков, сборка новых вирусных молекул, в конечном итоге — готовых вирионов (вирусные частицы). Все эти процессы происходят внутри донорской клетки. Через некоторое время клетка, заполненная вирусами, погибает.

Момент сцепки S-рецептора коронавируса с мембраной клетки в электронный микроскоп. По данным wikipedia.org.Внеший вид коронавируса в электронный микроскоп

Вирус COVID-19 (SARS-CoV-2), под электронным микроскопом. Изображение / NIAID-RML. Источник — http://outbreaknewstoday.com/
Варионы вируса с помощью электронного микроскопа. По данным — https://en.wikipedia.org/

Микрофотография частиц вируса SARS-CoV-2 в трансиссионный электронный микроскоп. Изображение получено и окрашено цветом в NIAID Integrated Research Facility (IRF) in Fort Detrick, Maryland. Credit: NIAID.Вирусные частицы SARS-CoV-2, выделенные из пациента в США. Изображение получено и окрашено цветом в NIAID Integrated Research Facility (IRF) in Fort Detrick, Maryland. Credit: NIAIDМикрофотографии частиц вируса из пациента в США. NIAID Integrated Research Facility (IRF) in Fort Detrick, Maryland. Credit: NIAIDИзображение с помощью сканирующего электронного микроскопа. NIAID’s Rocky Mountain Laboratories (RML) in Hamilton, Montana. Credit: NIAID

Позаботьтесь о профилактике и по возможности сидите дома!

Не забывайте соблюдать простые правила профилактики и гигиены:

• Соблюдайте гигиену. Чаще обрабатывайте руки антисептиком, чтобы не дать ни единого шанса вирусу переместиться с них на ваши слизистые оболочки.
• Носите защитную маску. Долгое время существовало мнение, что маски нужны лишь тем, кто заболел, чтобы они не распространяли вирусную инфекцию. Однако природа коронавируса, его инкубационный период, характер заражения должным образом не изучены, поэтому вы можете не знать о том, что являетесь носителем или находитесь рядом с ним. К выбору маски также следует подойти с особым вниманием, что является отдельной темой рассмотрения.
• Не трогайте лицо. Вирус Covid-19 проникает через слизистые рта, носа, глаз, поэтому вы можете заразиться, если микроорганизм находится на коже рук, которыми вы брали сторонние предметы, открывали двери.
• Пользуйтесь бесконтактными способами оплаты. Наиболее безопасными являются покупки через интернет-магазин, которые вы оплачиваете онлайн. Ведь в этом случае вам не придется контактировать с продавцами, а также не нужно будет держать деньги в руках. Ведь до вас их мог держать тот, кто болен тяжелым заболеванием.
• Избегайте мест скопления людей. Ведь, чем больше людей рядом с вами, тем выше риск заражения. Помните, что вирус может распространяться на расстояние более 2 метров, поэтому старайтесь соблюдать дистанцию.

БЕРЕГИТЕ СЕБЯ И СВОИХ БЛИЗКИХ!

Brands Carousel

Электронный микроскоп захватывает изображения атома лития | Новости и особенности | июль 2003 г.

БЕРКЛИ, Калифорния, 17 июля. Впервые исследователи использовали просвечивающий электронный микроскоп — одноангстремный микроскоп (OAM) в Национальном центре электронной микроскопии (NCEM) Министерства энергетики в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. — для изображения атомов лития. Только атомы водорода и гелия меньше и легче лития, который при обычных условиях представляет собой не газ, а мягкий белый металл.

Ян Шао-Хорн из отдела машиностроения Массачусетского технологического института и Майкл О’Киф из отдела материаловедения лаборатории Беркли использовали OAM для одновременного разделения столбцов атомов лития, кобальта и кислорода в соединении оксида лития-кобальта (LiCoO2) . LiCoO2 обычно используется в положительных электродах литиевых перезаряжаемых батарей; их работа основана на обратимом введении и удалении ионов лития с их положительных и отрицательных электродов. Широко используемые в портативных компьютерах, цифровых камерах и многих других устройствах, ионно-литиевые батареи сохраняют больше энергии для своего веса, работают при более высоком напряжении и держат заряд гораздо дольше, чем другие перезаряжаемые батареи.

IONIC VISION: Первое экспериментальное изображение атомов лития, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа: На изображении показано расположение ионов лития среди атомов кобальта и кислорода в соединении оксид лития-кобальта. (Фото предоставлено Berkely Labs)

Чтобы улучшить их работу, потребуется понимание того, как атомы в электродных материалах и вакансии, оставленные движущимися ионами, расположены в трехмерном пространстве в атомном масштабе. Структура LiCoO2 известна теоретически и подтверждена с помощью таких методов, как дифракция рентгеновских лучей и дифракция нейтронов на порошке: слои атомов лития лежат между пластинами кобальта и кислорода, которые расположены в виде октаэдров. Но ионы лития никогда не были обнаружены с помощью этих методов, и они не были обнаружены в предыдущих попытках изображения LiCoO2 с помощью электронной микроскопии.

Поэтому, когда Шао-Хорн, который вместе с коллегами из Университета Бордо I исследовал ионно-литиевые батареи, летом 2001 года обратился к микроскописту О’Кифу, чтобы спросить, можно ли визуализировать ионы лития в материале с высокой Просвечивающий электронный микроскоп с высоким разрешением, его первым ответом было: «Я так не думаю».

Как работает трансмиссионная электронная микроскопия

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) пропускает пучок электронов через тонкий образец материала; по мере того как пучок рассеивается в электрическом поле атомных ядер и окружающих их облаков электронов, их уникальное расположение влияет на фазу луча и, в некоторой степени, на его амплитуду. Когда измененный луч выходит из поверхности точно ориентированного образца, он может быть сфокусирован электромагнитной линзой, чтобы спроецировать изображение столбцов атомов образца.

Поскольку атомы с небольшими размерами и очень малой массой практически не влияют на электронный пучок, их трудно разрешить — проблема усугубляется, если поблизости находятся более тяжелые атомы. Тяжелый кобальт с атомным номером 27 и атомной массой, приближающейся к 60, относительно легко изобразить, но легкий кислород с атомным номером 8 и атомной массой около 16 слабо рассеивает электроны. Литий еще меньше — его атомный номер всего 3, а атомная масса всего 7.

Способность ПЭМ отображать эти тонкие частицы зависит от многих факторов, в том числе от энергии луча микроскопа, распределения энергии и устойчивости, а также искажения или аберрации линзы. Все это в совокупности определяет наименьшее расстояние, на котором микроскоп может различить два соседних объекта, его исходное разрешение. Одноангстремный микроскоп NCEM представляет собой ПЭМ средней энергии с исходным разрешением 1,6 ангстрема (ангстрем, обозначенный символом A, составляет десятимиллиардную часть метра), достаточно хорошим, чтобы непосредственно разрешать атомы кобальта.

Для получения максимально возможного разрешения необходимо выйти за пределы исходного разрешения до информационного предела микроскопа — максимального количества информации об образце, которое можно извлечь из рассеянной электронной волны, даже тех ее частей, которые могут быть вне поля зрения. фазы. Один из методов достижения этого, называемый реконструкцией фокальных серий, использует компьютер для объединения последовательных изображений, каждое из которых сделано с немного другим фокусом. Таким образом, одноангстремный микроскоп достиг разрешения до 0,78 ангстрем.

Но есть одна загвоздка. Поскольку отдельные изображения в серии сфокусированы по-разному, совпадающие по фазе изображения атомов на одном изображении будут не в фазе на другом. Как компьютер узнает, принадлежат ли яркие пятна, тусклые пятна или вообще отсутствие пятен в определенных местах составного изображения? Как толщина образца влияет на результат?

Правильное количество капель

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи используют два вида компьютерных программ. С помощью первого они могут создать в высоком разрешении симуляцию того, что должен видеть микроскоп — «правильное количество капель для правильного количества атомов», как выразился О’Киф.

Программа моделирования начинается с модели кристаллической структуры материала, затем задаются атомные характеристики, толщина и ориентация образца, такие параметры, как энергия электронного луча микроскопа, аберрации объектива, рассогласование луча и другие характеристики обоих образец и прибор. На выходе получается серия смоделированных изображений.

Когда О’Киф, написавший первую такую ​​программу моделирования изображений в конце 1970-х годов, применил последнюю версию к теоретической структуре LiCoO2, моделирование предоставило важную информацию, например, какое разрешение микроскоп должен достичь, чтобы увидеть что-либо в все, и при каком разрешении все различные виды атомов должны быть наиболее четкими. Его первоначальный скептицизм по поводу того, можно ли изобразить атомы лития, начал ослабевать. Моделирование показало, что в образце нужной толщины ионы лития должны стать видимыми при силе тока 1 А. А при силе тока 0,8 А должны быть отчетливо видны все три типа атомов — разрешение, которого действительно можно было достичь с помощью Одноангстремный микроскоп.

О’Киф говорит: «Моделирование показало, что столбцы атомов кислорода должны выглядеть яркими и с острыми краями, кобальты должны быть нечеткими, а литий должен быть маленьким, слабым и выглядеть немного растянутым».

АНАЛИЗ BLOB: Программа моделирования показала, как должны выглядеть атомы в оксиде лития-кобальта. Микроскоп отобразил столбцы атомов компонентов, видимые торцом, в небольшой части образца. (Фото предоставлено Berkely Labs)

В 2002 году, работая с Крисом Нельсоном из NCEM над освоением работы OAM, Шао-Хорн получил множество серий из 20 различных сфокусированных изображений отдельных кристаллов из образца порошка LiCoO2. Образец был подготовлен и хорошо охарактеризован с помощью обычной рентгеновской дифракции в сотрудничестве с ее коллегами Лоуренсом Крогеннеком и Клодом Дельмасом из Института химии материи Конденсее де Бордо-CNRS и Национальной высшей школы химии и физики Бордо в Университет Бордо I.

С помощью второй компьютерной программы и измерений параметров микроскопа исследователи берут экспериментальные изображения и работают в обратном направлении, чтобы создать представление электронной волны, покидающей выходную поверхность образца. Подтвердив фокусное значение для каждого изображения в серии, Шао-Хорн и ее коллеги использовали программу реконструкции для создания изображения небольшой области тонкого края кристалла LiCoO2, которое соответствовало предсказанному программой моделирования.

«Поскольку материал, из которого удалено некоторое количество ионов лития, несколько нестабилен под электронным лучом, экспериментальное изображение ионов лития и вакансий в этом исследовании оказалось трудным», — говорит Шао-Хорн. «Тем не менее, атомное разрешение атомов лития является новым и значительным достижением, которое поможет лучше понять не только материалы литий-ионных аккумуляторов, но и многие другие электрокерамические материалы».

Говорит О’Киф: «Мы показали, что диапазон OAM и подобных ему микроскопов среднего напряжения может быть расширен от тяжелых атомов до кислорода, азота и углерода до самого легкого металла — в на самом деле, за исключением гелия и водорода, самые легкие атомы из всех».

«Атомное разрешение ионов лития в LiCoO2», авторы Ян Шао-Хорн, Лоуренс Крогеннек, Клод Дельмас, Э. Крис Нельсон и Майкл О’Киф, опубликованы в июльском выпуске журнала Nature Materials за 2003 год.

Для получения дополнительной информации посетите: www.lbl.gov

Photonics.com
июль 2003 г.

изучить связанное содержание

Atom Under The Microscope – Электронная и атомно-силовая микроскопия

Электронная и атомно-силовая микроскопия2930 90 90

8
Что такое атом?

По существу, атом является наименьшей единицей
элемент, сохраняющий свойства того же элемента (железо, медь, углерод
так далее). Это означает, что разделенные далее его компоненты (электроны, протоны и нейтроны) не сохраняют свойств элемента.

* Слово атом происходит от греческого слова
«атомос», что означает неделимый/неразделимый.

Микроскопия

Атомы чрезвычайно малы размером примерно в 1 x
10-10 метров в диаметре. Из-за небольшого размера их невозможно просмотреть
их с помощью светового микроскопа. Хотя может быть невозможно просмотреть атом
С помощью светового микроскопа был разработан ряд методов наблюдения
и изучить строение атомов.

Некоторые из этих методов включают:

Недавно исследователи работали над
совершенствование электронных микроскопов, чтобы они могли проникать в субатомные
уровне для наблюдения за электронами.

По данным одного из исследований в Вене
Технологический университет , исследователи, работающие над трансмиссионным электроном с фильтрацией энергии.
микроскопии (ЭФТЭМ) выяснили, что в данных условиях на самом деле
можно просматривать изображения отдельных электронов на их орбитах.

Кроме того,
новый электронный микроскоп (Nion Hermes Scanning Transmission Electron Microscope)
был представлен в Великобритании и способен работать с разрешением вплоть до атомного уровня.
и, таким образом, способен захватывать изображения отдельных атомов. Согласно
исследователей, микроскоп способен отображать объекты размером в миллион
раз меньше человеческого волоса.

Некоторые из обнаруженных методов
Успех до сих пор включает методы STEM.

Глубина STEM

Этот метод использовался для наблюдения
межфазные атомы, расположенные между металлическими наночастицами и носителями. В
В 2015 году группа исследователей использовала срезы по глубине STEM для непосредственного наблюдения.
атомы золота на диоксиде титана. Эта процедура была выбрана в связи с тем, что
на диоксиде титана золото проявляет высокую каталитическую активность.

Процедура
включал следующие этапы:

• Осаждение золота на Титании
  поддержку для приготовления золотого катализатора.

• Прокаливание
  подготовка на воздухе (или восстановление) в атмосфере водорода (h3) при высоких
  температуры

Когда препарат был готов, образец
наблюдалось с помощью STEM-микроскопа с коррекцией аберраций (с установленным JEOL
2200ФС).

С помощью этой техники можно было наблюдать атомы, которые были ярче
чем атомы титана. Записав фокальную серию Z-контрастных изображений из
складчатого нанокристалла в межфазных областях, исследователи смогли
найти атомы в 3D.

ABF_STEM (кольцевая сканирующая трансмиссионная электронная микроскопия в светлом поле)

трудности, стало очевидным, что с помощью этой техники можно
наблюдать атомы лития (литий с атомным номером 3). Это было достигнуто за счет
наблюдая за таким материалом, как оксид лития-марганца (LiMn2O4), чтобы увидеть
ионы лития.

При просмотре этого соединения/кристалла под микроскопом
исследователи могли идентифицировать разные атомы (Li, Mn и O) и, таким образом,
определить атомы лития самостоятельно. Однако это было возможно только тогда, когда
с использованием STEM-микроскопа с разрешением 0,1 нм и ниже с коррекцией
сферическая аберрация.

* Недавно студент из
Оксфордский университет сделал снимок одиночного плавающего атома
(атом стронция) с помощью обычной камеры.