Атом под микроскопом: Настоящее фото атома

Получены первые изображения атомов водорода и углерода в микроскопе

Электронный микроскоп смог разглядеть отдельные атомы водорода и углерода; прежде можно было увидеть лишь тяжёлые атомы вроде золота. Секрет метода, который позволит изучать биологические молекулы «живьём», – использование подложки из графена, одноатомного углеродного листа.

Микроскоп является, наверное, самым удобным инструментом, позволяющим разглядеть кирпичики мироздания. Сначала микроскопы представляли собой оптические системы, увеличение в которых достигалось с помощью линз, фокусирующих отраженные от исследуемого образца или прошедшие сквозь него световые лучи.

Затем с развитием техники оптические микроскопы уступили место электронным аналогам, где вместо световых волн используются сфокусированные потоки электронов. Они, подобно квантам света, поглощаются или рассеиваются различными веществами и материалами, но позволяют добиться увеличения куда большего, чем в оптических микроскопах. Связано это с явлением дифракции света, «огибания» электромагнитными волнами препятствий, которое не позволяет разглядеть в оптические устройства объекты меньше примерно 300 нм – этот размер соответствует ультрафиолетовому краю видимого света. Электроны также представляют собой волны (равно как и частицы), но длина их волны существенно меньше.

В настоящее время существует масса микроскопических методов, позволяющих проводить исследования в нанодиапазоне, – это сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая и так далее.

Наибольшего увеличения и разрешения на сегодняшний день можно добиться с помощью технологии трансмиссивной, или просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) высокого разрешения.

Справка

Когда пучок электронов проходит сквозь образец, он по-разному рассеивается в его объеме. Часть этого пучка рассеивается на ядрах атомов, часть отражается электронными облаками атомов и межатомных связей, часть проходит сквозь толщу…

Она заключается в пропускании сфокусированного электронного пучка сквозь тонкий образец. Этим образцом может быть наноразмерный кристаллит неорганического вещества, углеродные нанотрубки, фуллерены и так далее. С помощью просвечивающего микроскопа и математического аппарата преобразования сигнала можно видеть отдельные атомы, образующие кристаллическую решетку просвечиваемого твердого тела, рассчитывать его параметры и так далее. Казалось бы, о чем еще можно мечтать физикам и химикам? И действительно, ТЭМ до сих остается пределом мечтаний для сотрудников многих отечественных учебно-научных учреждений: цена одного такого аппарата сравнима со стоимостью истребителя.

Тем не менее и такой аппарат не всесилен, увидеть в нем даже при разрешении в доли нанометра можно далеко не каждый атом.

Дело в том, что легкие атомы, такие как углерод, кислород, азот и уж тем более водород, обладающие небольшим количеством электронов, очень слабо рассеивают поток электронов. На фоне сигнала проводящей подложки, на которой лежит образец, и шума детектора сигнал этих атомов становится совершенно незаметным. Поэтому вплоть до последнего времени просвечивающая электронная микроскопия применялась в подавляющем большинстве случаев для исследования строения неорганических материалов, состоящих из тяжелых и богатых электронами атомов. Между тем азот, водород, кислород и углерод – это биогенные элементы, входящие в состав всех органических соединений, а потому представляют едва ли не больший интерес для ученых, нежели все неорганические материалы вместе взятые.

Графен

двумерный кристаллический углеродный материал, который удобно представить в виде одного слоя углеродных атомов, образующих слоистую структуру графита. Впервые экспериментально получен и описан этот материал был в 2004 году группой…

Приспособить ТЭМ под исследование объектов органической природы позволил уже завоевавший славу углеродный материал графен. Тонкий углеродный лист графена атомарной толщины оказался прекрасной подложкой для соединений из легких атомов для изучения их на просвет электронным пучком.

Открытие это было сделано во многом случайно. Янник Мейер, входящий в группу профессора Алекса Зеттля из Калифорнийского университета в Беркли, но работающий сейчас в Университете немецкого города Ульм, изучал сами графеновые листы, пытаясь подобрать параметры съемки и настроить соотношение «сигнал—шум» своего микроскопа наилучшим образом.

В один прекрасный момент ему пришло в голову, что «шум», от которого никак не удается избавиться, есть не что иное, как легкие углеродные атомы на поверхности графена.

Оказалось, что графен, обладая минимально возможной толщиной в сочетании с феноменальной электронной проводимостью, дает очень низкий уровень шума, а прочностные характеристики этого материала позволяют ему выдерживать бомбардировку электронным пучком в течение многих часов. Статья команды ученых вышла в свет в журнале Nature.

Случайным ли образом в камере просвечивающего микроскопа Мейера оказались молекулы органических соединений, или они присутствуют там всегда и у всех, – сейчас сказать уже тяжело. Тем не менее Мейер, без сомнения, – первый, кто смог наблюдать динамику их движения по поверхности графена.

close

100%

Какие перспективы открывает новая методика просвечивающей микроскопии, разработанная специалистами из Беркли?

Главное, теперь становится возможным воочию наблюдать простые и сложные органические молекулы напрямую с помощью микроскопа, а не «щупать» их методами ядерного магнитного резонанса и рентгеновской дифракции.

Кроме того, по словам Зеттля, взаимодействие этих молекул на поверхности и с поверхностью отныне можно будет наблюдать в динамике. Если раньше ученым приходилось анализировать состав продуктов и промежуточных веществ в ходе реакции, а затем строить сложные кинетические модели цепных реакций для установления их механизма, то в перспективе они смогут ограничиться простым наблюдением за молекулами взаимодействующих веществ напрямую; благо, ТЭМ позволяет наблюдать, что называется, «живую» картинку.

Конечно, такие радужные перспективы не могут пока исключить нескольких очень важных «но».

Во-первых, изучение структуры органических соединений, адсорбированных на поверхности, должно учитывать то обстоятельство, что конформация многих молекул в ходе такого адсорбционного взаимодействия может значительно измениться. О влиянии конформации молекулы на ход реакций, особенно если дело касается природных соединений, «Газета.Ru» писала в понедельник.

Во-вторых, если предметом изучения становится изучение взаимодействия органики с поверхностью твердого тела – задачи, очень важной в гетерогенном катализе, – графен не слишком-то и интересен, ибо со структурной и химической точки зрения он очень прост, чтобы не сказать примитивен. А синтезировать подложки толщиной в несколько атомов из более интересных соединений с каталитической или структурной точки зрения – задача во многих случаях просто неразрешимая.

Наблюдение легких соединений с помощью ТЭМа таит в себе и ряд чисто технических сложностей. Однако, как показывает опыт развития науки техники последних лет, ученые наверняка найдут способ извернуться и в этом случае.

Один атом на острие | Наука и жизнь

На протяжении ХХ века в науке появилось множество новых направлений, возникновение которых напрямую связано с изобретением более совершенных средств измерения и наблюдения, в частности с появлением электронных микроскопов, обладающих поистине фантастическим увеличением.

Кантилевер атомно-силового микроскопа представляет собой микроскопическую балку с иглой на конце. Её типичные размеры: длина 100—300 мкм, ширина 30—50 мкм, толщина 1—10 мкм, жёсткость от 0,01 Н/м до ~40 Н/м.

Открыть в полном размере

‹

›

Просвечивающий электронный микроскоп, созданный немецкими инженерами Максом Кноллем и Эрнстом Руской в самом начале 1930-х годов, позволил изучать тончайшие (около 0,1 мкм) образцы, «просвечивая» их пучком электронов. Они давали изображение объёмной структуры образца, но рассмотреть его поверхность не позволяли. Несколько позднее появились растровые сканирующие микроскопы. С их помощью уже можно было увидеть элементы поверхности образца. Тонкий электронный пучок в таком микроскопе направляется на образец и сканирует (ощупывает) его поверхность. В результате взаимодействия электронного пучка с поверхностью возникают низкоэнергетичные вторичные электроны, которые улавливает специальный детектор. Детектор формирует электрический сигнал, величина которого зависит от интенсивности потока вторичных электронов. А она, в свою очередь, зависит от формы поверхности образца (от его топографии) и в несколько меньшей степени — от его природы. Сканируя электронным пучком поверхность образца, удаётся получить карту её рельефа.

Электронные микроскопы, и просвечивающие и растровые, значительно расширили наши представления о веществе. Но со временем их стало недостаточно. Появилась необходимость, во-первых, увеличить разрешающую способность приборов, во-вторых — сделать инструмент, с помощью которого можно было бы не только рассматривать поверхность, но и менять её структуру, например перемещать отдельные атомы. Это казалось фантастикой ещё каких-нибудь 30—40 лет тому назад. Сейчас такие приборы выпускаются серийно, они относятся к классу сканирующих зондовых микроскопов. Разрешение их достигает уже 0,1 нм.

История этого класса приборов не слишком длинна. Первые такие устройства появились в 1981 году в исследовательском центре IBM в лаборатории Герда Карла Биннига и Генриха Рорера. В 1986 году они получили за это изобретение Нобелевскую премию. Редкий, по современным меркам, случай, так как прошло всего пять лет с момента создания прибора. Правда, вместе с ними премию получил и Эрнст Руска.

Бинниг и Рорер поставили перед собой задачу создать устройство, способное просканировать участок поверхности с поперечником порядка 10 нм. Они предложили для сканирования поверхности использовать тончайшее заряженное металлическое остриё. Когда оно подводится к противоположно заряженному металлическому образцу на дистанцию, равную нескольким межатомным расстояниям, электроны начинают свободно проходить через зазор. Этот квантово-механический эффект получил название туннельного. Оказалось, что величина туннельного тока сильно зависит от зазора. Но протекающий ток сравнительно легко измерить. Теперь, если зонд вести вдоль образца, то ток будет меняться в зависимости от величины зазора между остриём и поверхностью, то есть в зависимости от рельефа. Поддерживать величину тока постоянной можно, меняя положение зонда. А теперь уже несложно (относительно несложно, конечно) зафиксировать траекторию движения зонда. Легко видеть, что это и будет профиль поверхности. После компьютерной обработки совокупность этих кривых позволяет построить довольно точное трёхмерное изображение поверхности. Но самое замечательное то, что на этом рисунке можно локализовать отдельные атомы.

Впрочем, у такого рода приборов есть и ещё одно полезное свойство — для работы они не требуют размещения образцов в вакууме, работать можно на воздухе, в газе и даже в жидкости.

Перемещение острия осуществляют при помощи пьезоэлектрического сканера. В данном случае используется свойство пьезокристаллов изменять свои геометрические размеры в зависимости от приложенного напряжения. При этом перемещения могут быть весьма незначительными — вплоть до тысячных долей нанометра. Пьезосканер можно заставить не только изменять свою общую длину, но и изгибаться.

Это, кстати, даёт возможность сделать эталон нанометра. Используя всё тот же принцип обратного пьезоэффекта, описываемого очень простым линейным уравнением (изменение размеров пьезокерамического элемента прямо пропорционально приложенному напряжению), можно задать напряжение, которое приведёт к изменению размера ровно на один нанометр. С помощью такого эталона можно калибровать зондовые туннельные микроскопы, интерферометры, другие особо точные приборы.

Интерпретировать и обработать массивы информации, которые получает сканирующий зондовый микроскоп, без компьютера невозможно. Да и управление прибором без него не осуществить. В 1998 году в Москве был разработан и построен сканирующий зондовый микроскоп «ФемтоСкан-001», которым можно управлять не просто с компьютера, но даже через интернет.

Конечно, появился «ФемтоСкан» не на пустом месте. В 1985 году в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова первый в России сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) начала создавать группа профессора Владимира Ивановича Панова. Для создания коммерческих микроскопов в эту группу в 1987 году вошёл Игорь Владимирович Яминский. На построенном за два месяца прототипе коммерческого микроскопа получили изображения отдельных атомов на поверхностях кристалла меди и графита. Первые успехи позволили создать научно-производственное предприятие «Центр перспективных технологий», выпускающее сканирующие зондовые микроскопы. Рассказывает директор предприятия доктор физико-математических наук И. В. Яминский:

— Зондовый микроскоп — прибор сложный. В его создании принимают участие специалисты самых разных областей знания, программисты, электронщики, конструкторы, механики. Хотя сегодня зондовый микроскоп примерно такой конструкции, за которую в 1986 году дали Нобелевскую премию, в принципе может построить студент первого курса за один или два семестра — если ему помочь. С помощью такого прибора можно будет увидеть отдельные атомы, хотя, конечно, изображения будут «плохонькие» из-за температурного дрейфа и других помех. Больше ничего сделать этим прибором не получится.

А если рассматривать современный сканирующий зондовый микроскоп, то он «видит» не только атомы, но и их строение, и распределение магнитного поля вблизи поверхности, и распределение электрического поля, сопротивление, упругость. С его помощью можно делать литографию — «вырывать» отдельные атомы из материала или, наоборот, осаждать их на поверхности. Вот такие приборы мы с коллегами сейчас выпускаем.

Основной костяк коллектива — 15 человек, народ в основном молодой, в подавляющем большинстве выпускники МГУ.

Нам удобно работать с университетом. Мы знакомимся со студентами ещё на младших курсах, стараемся найти таких, кто будет увлечённо работать, сделает хороший диплом. Потом мы «проводим» такого человека через аспирантуру и получаем отличного специалиста. Это такой идеальный вариант — «симбиоз» предприятия и университета. Нам удалось если не полностью, то в очень значительной степени воплотить его в жизнь.

Сейчас работать стало несравненно легче, чем в девяностые годы. Тогда в науке практически не было денег. Однако нам везло, помогали университетские гранты, договора на проведение исследований. Впрочем, и мы помогали университету. Самое главное, мы создали очень хороший творческий коллектив. Сейчас у нас много помощников, научных сотрудников, кандидатов химических и физико-математических наук. У них есть свои помощники-аспиранты, у аспирантов — студенты, словом, построена такая очень разумная и устойчивая команда.

Ещё одна составляющая успеха — это сильная (пожалуй, даже уникальная) техническая группа: наши токари, фрезеровщики, сварщики, монтажники электроники. Когда мы делали первые микроскопы, то испытывали невероятные трудности в изготовлении механики. Для реального производства механический цех абсолютно необходим. В Институте физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ такой цех был. Кроме того, наше предприятие арендует цеха на заводе «Союз». Там мы отремонтировали помещения, установили новое оборудование. На «Союзе» сохранились опытные мастера, они помогают на производстве и, самое главное, обучают молодёжь. В прошлом году здесь проходили профессиональную подготовку будущие специалисты по программе «Опережающая профессиональная переподготовка по производству измерительно-аналитического оборудования для нанотехнологий в сфере материаловедения, биологии и медицины», организованной совместно с МГУ им. М. В. Ломоносова и ведущими производителями оборудования.

Вообще, производство сложных современных приборов полно парадоксов. Механическая часть, требующая больших площадей, тяжёлого оборудования, множества дорогих комплектующих, в себестоимости конечного продукта составляет примерно 5%. В то же время схемотехника, разработкой которой занимаются несколько человек в одной комнате, и программное обеспечение (десяток специалистов, разбросанных по всему миру) — остальные 95! Правда, это даёт возможность не экономить на механике.

Первый микроскоп мы поставили в Минск, в Институт химии новых материалов, в 1999 году, и он хорошо работает до сих пор. Заложенный в первые приборы принцип — сделать простую надёжную конструкцию, которая не требует сейсмических фильтров, развязки и может работать на обычном лабораторном столе, себя полностью оправдал.

Оправдала себя и другая идея — сделать программное обеспечение, позволяющее работать с большим количеством форматов данных. Дело в том, что каждый производитель микроскопов использовал свою схему записи информации. А производителей таких сейчас немало. Кроме того, они время от времени меняют форматы. К примеру, у американской компании «Диджитал инструментс», которую сейчас приобрела фирма «Брукер», их существует около пятидесяти, причём сама компания уже даже забыла про некоторые из них. Но поскольку к нам обращались пользователи микроскопов со своими реальными проблемами, мы научились читать практически все форматы данных микроскопов, которые продаются под торговой маркой «Брукер». Что касается программного обеспечения, его покупают пользователи других микроскопов — американских, английских, немецких, при том что их микроскопы поставляются со своим, «родным», программным обеспечением.

Сканирующие зондовые микроскопы имеют ограничение по скорости работы. Из-за этого в некоторых случаях возникают сложности, связанные, например, с тепловым дрейфом атомов на поверхности образца. В компании «Медицинские нанотехнологии», которой руководит Пётр Горелкин, прошедший весь стандартный путь специалиста «Центра перспективных технологий», сейчас активно работают над созданием сверхбыстрого СЗМ. Не так давно Горелкин с коллегами выполнили работу по конструированию сенсорной панели для определения простатспецифического антигена (ПСА), диагностического маркера рака.

Другой наш сотрудник, Глеб Киселёв, начал работать в команде, будучи студентом 2-го курса физфака МГУ. В 2004 году ему пришла в голову идея создания атомных весов для регистрации сверхмалых количеств веществ. Весы назвали атомными по аналогии с атомно-силовым микроскопом. Его чувствительный элемент — кантилевер — представляет собой небольшой элемент из кремния — тончайшую консоль (шириной около 0,03 мм, длиной не более 0,5 мм) с измерительной иглой на конце. Взаимодействуя с поверхностью, консоль изгибается под действием крайне незначительных сил. Киселёв придумал использовать такую консоль в качестве весов. Сейчас Глеб руководит созданной в 2004 году компанией «Академия биосенсоров».

Значительная часть наших сотрудников по образованию — физики. Но мы живём в окружении биологов МГУ (биофак, факультет почвоведения, Институт физико-химической биологии), и получается так, что наши интересы как исследователей сконцентрировались в направлении изучения вирусов, ДНК, ДНК-белковых комплексов бактерий, клеток крови. Зондовая микроскопия открывает в этих направлениях огромные перспективы. Впрочем, не только в этих.

Невероятный микроскоп

видит атомы с рекордным разрешением

21 мая 2021 г.

На этом изображении показана электронно-психографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз. Предоставлено: Корнельский университет

В 2018 году исследователи из Корнельского университета создали мощный детектор, который в сочетании с управляемым алгоритмом процессом, называемым птихографией, установил мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа.

Каким бы успешным ни был этот подход, у него был недостаток. Он работал только с ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов. Все, что толще, заставит электроны рассеиваться таким образом, что их нельзя будет распутать.

Теперь команда, снова возглавляемая Дэвидом Мюллером, профессором инженерии имени Сэмюэля Б. Эккерта, в два раза побила собственный рекорд с помощью пиксельного матричного детектора электронного микроскопа (EMPAD), который включает в себя еще более сложные алгоритмы трехмерной реконструкции.

Разрешение настолько точно настроено, что единственное оставшееся размытие — это тепловое колебание самих атомов.

Статья группы «Электронная птихография достигает пределов атомарного разрешения, установленных решетчатыми колебаниями», опубликованная 20 мая в журнале Science. Ведущим автором статьи является докторант Чжэнь Чен.

«Это не просто новый рекорд, — сказал Мюллер. «Он достиг режима, который фактически станет окончательным пределом для разрешения. По сути, теперь мы можем выяснить, где находятся атомы, очень простым способом. Это открывает множество новых возможностей измерения вещей, которые мы хотели сделать в течение очень долгого времени. Это также решает давнюю проблему — устранение многократного рассеяния луча в образце, которое Ганс Бете изложил в 1928 — это мешало нам делать это в прошлом».

Птихография работает путем сканирования перекрывающихся рисунков рассеяния на образце материала и поиска изменений в области перекрытия.

«Мы гонимся за крапинками, которые очень похожи на те узоры лазерной указки, которыми в равной степени восхищаются кошки», — сказал Мюллер. «Видя, как меняется узор, мы можем вычислить форму объекта, вызвавшего узор».

Детектор слегка расфокусирован, что приводит к размытию луча, чтобы захватить максимально широкий диапазон данных. Затем эти данные реконструируются с помощью сложных алгоритмов, в результате чего получается сверхточное изображение с точностью до пикометра (одна триллионная метра).

«С помощью этих новых алгоритмов мы теперь можем скорректировать все размытие нашего микроскопа до такой степени, что самый большой фактор размытия, который у нас остался, — это тот факт, что сами атомы колеблются, потому что это то, что происходит с атомами в конечная температура», — сказал Мюллер. «Когда мы говорим о температуре, то, что мы на самом деле измеряем, — это средняя скорость, с которой колеблются атомы».

Исследователи могли бы снова побить свой рекорд, используя материал, состоящий из более тяжелых атомов, которые меньше колеблются, или охладив образец. Но даже при нулевой температуре атомы по-прежнему имеют квантовые флуктуации, так что улучшение будет не очень большим.

Эта новейшая форма электронной птихографии позволит ученым обнаруживать отдельные атомы во всех трех измерениях, когда они могли бы быть скрыты с помощью других методов визуализации. Исследователи также смогут находить примесные атомы в необычных конфигурациях и отображать их и их вибрации по одному. Это может быть особенно полезно при визуализации полупроводников, катализаторов и квантовых материалов, в том числе используемых в квантовых вычислениях

Выполнение вычислений с использованием квантово-механических явлений, таких как суперпозиция и запутанность.

» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>квантовые вычисления — а также для анализа атомов на границах соединения материалов

Метод визуализации можно также применять к толстым биологическим клеткам или тканям или даже к синапсным соединениям в мозге — то, что Мюллер называет «коннектомикой по требованию».

Хотя этот метод требует больших затрат времени и вычислительных ресурсов, его можно сделать более эффективным с помощью более мощных компьютеров в сочетании с машинным обучением и более быстрыми детекторами9. 0003

«Мы хотим применять это ко всему, что мы делаем», — сказал Мюллер, который является соруководителем Института Кавли в Корнелле по нанонауке и сопредседателем Целевой группы по нанонауке и микросистемной инженерии (NEXT Nano), входящей в Корнеллский радикальный Инициатива сотрудничества. «До сих пор мы все носили очень плохие очки. И теперь у нас на самом деле есть действительно хорошая пара. Почему бы тебе не снять старые очки, надеть новые и пользоваться ими постоянно?»

Ссылка: «Электронная птихография достигает пределов атомарного разрешения, установленных колебаниями решетки», Чжэнь Хен, Йи Цзян, Ю-Цун Шао, Меган Э. Хольц, Михал Одстрсил, Мануэль Гизар-Сикайрос, Изабель Ханке, Штеффен Ганшоу, Даррелл Г. , Шлом и Дэвид А. Малл, 21 мая 2021 г., стр. 9.0041 Наука .
DOI: 10.1126/science.abg2533

Среди соавторов Даррелл Шлом, профессор промышленной химии имени Герберта Фиска Джонсона; И Цзян, доктор философии. ’18, а сейчас специалист по обработке данных в Аргоннской национальной лаборатории; постдокторские исследователи Ю-Цун Шао и Меган Хольц, доктор философии. 17 г.; и исследователи из Института Пауля Шеррера и Института роста кристаллов Лейбница.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом через Корнеллскую платформу для ускоренной реализации, анализа и обнаружения материалов интерфейса (PARADIM). Исследователи также воспользовались Центром исследования материалов Корнелла, который поддерживается программой Центра исследования материалов и инженерии NSF.

Видение атомов — Science Learning Hub

Добавить в коллекцию

Нанотехнологии возможны отчасти потому, что были разработаны инструменты, позволяющие «видеть» частицы материи размером нанометр (нм) или меньше. Это меньше одной миллиардной доли метра.

Когда в 1960-х возникла идея нанотехнологий, это была всего лишь идея. Учёные мало что могли сделать для развития нанотехнологий, поскольку у них не было инструментов, чтобы увидеть или работать в наномасштабе. Таким образом, в некотором смысле нанотехнологии продвинулись вперед вместе с развитием микроскопов.

Оптические микроскопы

Оптические (световые) микроскопы существуют уже много лет. С помощью современного светового микроскопа можно получить увеличение более чем в 2000 раз. Этого достаточно, чтобы заглянуть внутрь растительных и животных клеток, но не так подробно. Основным ограничением является длина волны света. По сути, многие нанообъекты настолько малы, что свет, направленный на них, не попадает в них и поэтому не отражается обратно, чтобы мы могли его видеть. Это означает, что объекты размером менее 300 нм искажаются под световым микроскопом.

Электронные микроскопы

Для большего увеличения был разработан новый инструмент. Это произошло в 1931 году, когда был изобретен электронный микроскоп. Пучки электронов фокусируются на образце. При попадании в нее они разлетаются, и это рассеяние используется для воссоздания изображения. Электронный микроскоп можно использовать для увеличения объектов более чем в 500 000 раз, чего достаточно, чтобы увидеть множество деталей внутри клеток. Существует несколько типов электронных микроскопов. Просвечивающий электронный микроскоп можно использовать для наблюдения за наночастицами и атомами.

Природа науки

Многие достижения в истории науки произошли благодаря разработке новых инструментов для удовлетворения потребностей ученых. Микроскопия является хорошим примером. История микроскопии следовала классическому технологическому процессу, который развивает вещи для удовлетворения конкретных потребностей.

Сканирующие зондовые микроскопы

Чтобы увидеть атомы в деталях, необходим инструмент, который не зависит от света или пучков электронов. Это произошло в 1980-х годах, когда появились сканирующие зондовые микроскопы. Когда вы проводите пальцем по поверхности, скажем, по бумаге или ковру, вы можете сказать, насколько она гладкая или шероховатая. Сканирующий зондовый микроскоп работает аналогичным механическим образом, но с использованием наноразмерного «пальца».

Существуют различные виды сканирующих зондовых микроскопов, которые работают немного по-разному:

• Атомно-силовой микроскоп имеет очень тонкий наконечник, иногда шириной всего в один атом, который перемещается по поверхности образца. Игла поднимается над атомами и падает в промежутки между ними. Подъем и падение настолько малы, что для записи движения используется лазер. Компьютер использует эту информацию для создания трехмерных изображений атомов. Вы видите изображение на экране компьютера, а не через окуляр, как в оптических микроскопах.

• Сканирующий туннельный микроскоп измеряет изменения электрического тока между наконечником зонда и атомами на поверхности образца.

• В магнитно-силовом микроскопе игла улавливает изменения в магнитной структуре поверхности на атомарном уровне.

Эти сканирующие зондовые микроскопы были инструментами, которых ждали ученые. Теперь нанотехнологии взлетели. Было обнаружено, что можно не только увидеть атомы, но и кончики микроскопов можно использовать для захвата отдельных атомов и их перемещения. Ученые смогли создать изображения из нескольких атомов, такие как буквы и смайлики. А если серьезно, этот новый инструмент означал, что можно было начать работу над одной из мечтаний некоторых нанотехнологов — созданием наноразмерных объектов атом за атомом.