Содержание
Мощные лазеры помогли ученым увидеть, как вращается одиночная молекула
https://ria.ru/20190729/1556966223.html
Мощные лазеры помогли ученым увидеть, как вращается одиночная молекула
Мощные лазеры помогли ученым увидеть, как вращается одиночная молекула — РИА Новости, 29.07.2019
Мощные лазеры помогли ученым увидеть, как вращается одиночная молекула
Датские и немецкие физики впервые сняли на видео то, как вращается одиночная молекула, состоящая из трех разных атомов, и сравнили эти наблюдения с… РИА Новости, 29.07.2019
2019-07-29T13:11
2019-07-29T13:11
2019-07-29T13:11
наука
германия
открытия — риа наука
физика
атомы
молекулы
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/155696/38/1556963841_32:16:2000:1123_1920x0_80_0_0_154e96d345c763a17c148af3a9ae6835.jpg
МОСКВА, 29 июл – РИА Новости. Датские и немецкие физики впервые сняли на видео то, как вращается одиночная молекула, состоящая из трех разных атомов, и сравнили эти наблюдения с предсказаниями теории.
Их выводы были опубликованы в журнале Nature Communications.В последние годы, благодаря постройке мощных рентгеновских лазеров, способных вырабатывать пучки света с огромной скоростью, ученые смогли заглянуть в самые далекие глубины мира молекул и элементарных частиц. К примеру, в начале этого десятилетия они получили первые «атомные» фотографии вирусов и белков. В последующие годы физики смогли снять химическую реакцию на видео, сфотографировать электроны внутри алмаза, а также получить первые фотоснимки одиночной водородной связи, играющей ключевую роль в формировании белковых молекул, ДНК и других «молекул жизни».Все эти достижения, как отмечает Кюппер, не позволяли ученым решить более простую задачу – увидеть то, как вращается молекула и меняет свою структуру в ходе взаимодействий с соседями или во время простых химических реакций. Этому мешало то, что рентгеновские лазеры разрушают изучаемую молекулу практически сразу после того, как импульс света пролетает через нее.Немецкие физики нашли остроумное решение для этой проблемы, используя не одну, а несколько сотен молекул, два разных типа лазеров, а также определенные закономерности квантовой механики, упростившие им задачу.
В качестве первого «подопытного» ученые избрали сульфоксид углерода – вещество, состоящее из атомов углерода, серы и кислорода, соединенных прочными ковалентными связями. Подготовив облако из подобных молекул, физики пропустили через него два очень коротких импульса инфракрасного лазера.Пауза между этими вспышками света была подобрана таким образом, что она была короче, чем тот промежуток времени, которое сульфоксид углерода тратит на совершение одного оборота вокруг своей оси. Благодаря этому, вращение всех молекул, через которые проходили обе вспышки света, синхронизировалось под действием принципов квантовой механики.Это позволило ученым получить набор из фактически одинаковых молекул, каждую из которых они обстреливали второй, более мощной вспышкой света, позволявшей им увидеть это вещество, но разрушавшей его при контакте.»Подсвечивая» каждую копию сульфоксида углерода в «пачке», физики смогли получить короткое видео из 650 кадров, на котором можно увидеть то, как эта молекула совершает полтора оборота вокруг своей оси.
На один такой оборот, как показали ученые, она тратит 82 пикосекунды, триллионных долей секунды.В целом, результаты этого эксперимента полностью совпали с результатами компьютерных расчетов. Это говорит о том, что физики достаточно хорошо понимают то, как устроены молекулы и какие законы мироздания управляют их вращением. В ближайшее время Кюппер и его команда планируют применить эту методику для изучения различных «закрученных» молекул, чья форма влияет на характер их взаимодействий с другими веществами. Яркий пример этого – аминокислоты и сахара в нашем теле, присутствующие в нем в исключительно «правой» и «левой» конфигурации.
https://ria.ru/20170513/1494214972.html
https://ria.ru/20120829/733143098.html
германия
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2019
РИА Новости
1
5
4.
7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.ru/images/155696/38/1556963841_0:0:2000:1500_1920x0_80_0_0_89d7860c34f0a565ca54a3bf38461fd9.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
internet-group@rian.
ru
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
германия, открытия — риа наука, физика, атомы, молекулы
Наука, Германия, Открытия — РИА Наука, Физика, атомы, молекулы
МОСКВА, 29 июл – РИА Новости. Датские и немецкие физики впервые сняли на видео то, как вращается одиночная молекула, состоящая из трех разных атомов, и сравнили эти наблюдения с предсказаниями теории. Их выводы были опубликованы в журнале Nature Communications.
«Физики давно мечтали, что мы сможем запечатлеть движение атомов в каких-то сверхбыстрых процессах. Сделать это сложно, так как молекулы вращаются совсем не так, как это делает набор из шариков и палочек. Их движением управляют законы квантовой механики — положение и импульс каждого атома нельзя точно измерить», — объясняет Йохен Кюппер (Jochen Kuepper) из Гамбургского университета (Германия).
В последние годы, благодаря постройке мощных рентгеновских лазеров, способных вырабатывать пучки света с огромной скоростью, ученые смогли заглянуть в самые далекие глубины мира молекул и элементарных частиц.
К примеру, в начале этого десятилетия они получили первые «атомные» фотографии вирусов и белков.
В последующие годы физики смогли снять химическую реакцию на видео, сфотографировать электроны внутри алмаза, а также получить первые фотоснимки одиночной водородной связи, играющей ключевую роль в формировании белковых молекул, ДНК и других «молекул жизни».
13 мая 2017, 09:30Наука
Ученые впервые увидели и «пощупали» водородную связь между молекулами
Все эти достижения, как отмечает Кюппер, не позволяли ученым решить более простую задачу – увидеть то, как вращается молекула и меняет свою структуру в ходе взаимодействий с соседями или во время простых химических реакций. Этому мешало то, что рентгеновские лазеры разрушают изучаемую молекулу практически сразу после того, как импульс света пролетает через нее.
Немецкие физики нашли остроумное решение для этой проблемы, используя не одну, а несколько сотен молекул, два разных типа лазеров, а также определенные закономерности квантовой механики, упростившие им задачу.
В качестве первого «подопытного» ученые избрали сульфоксид углерода – вещество, состоящее из атомов углерода, серы и кислорода, соединенных прочными ковалентными связями. Подготовив облако из подобных молекул, физики пропустили через него два очень коротких импульса инфракрасного лазера.
Пауза между этими вспышками света была подобрана таким образом, что она была короче, чем тот промежуток времени, которое сульфоксид углерода тратит на совершение одного оборота вокруг своей оси. Благодаря этому, вращение всех молекул, через которые проходили обе вспышки света, синхронизировалось под действием принципов квантовой механики.
Это позволило ученым получить набор из фактически одинаковых молекул, каждую из которых они обстреливали второй, более мощной вспышкой света, позволявшей им увидеть это вещество, но разрушавшей его при контакте.
«Подсвечивая» каждую копию сульфоксида углерода в «пачке», физики смогли получить короткое видео из 650 кадров, на котором можно увидеть то, как эта молекула совершает полтора оборота вокруг своей оси. На один такой оборот, как показали ученые, она тратит 82 пикосекунды, триллионных долей секунды.
В целом, результаты этого эксперимента полностью совпали с результатами компьютерных расчетов. Это говорит о том, что физики достаточно хорошо понимают то, как устроены молекулы и какие законы мироздания управляют их вращением.
В ближайшее время Кюппер и его команда планируют применить эту методику для изучения различных «закрученных» молекул, чья форма влияет на характер их взаимодействий с другими веществами. Яркий пример этого – аминокислоты и сахара в нашем теле, присутствующие в нем в исключительно «правой» и «левой» конфигурации.
29 августа 2012, 21:02Наука
Рентгеновский лазер помог физикам взглянуть на электроны внутри алмазаФизики использовали сверхмощный рентгеновский лазер LCLS для получения первых фотоснимков отдельных электронов, обращающихся вокруг атомов углерода в кристалле алмаза, и опубликовали результаты своей работы в статье в журнале Nature.
Взгляни на атомы, прикоснись к молекуле
Аркадий Курамшин,
кандидат химических наук
«Химия и жизнь» №5, 2017
Принялся Трурль ловить атомы, соскабливать с них электроны, месить протоны, так что лишь пальцы мелькали, приготовил протонное тесто, выложил вокруг него электроны и — за следующий атом; не прошло и пяти минут, как держал он в руках брусочек чистого золота: подал его морде, она же, на зуб брусочек попробовав и головой кивнув, сказала:
— И в самом деле золото, только я не могу так за атомами гоняться. Слишком я большой.
— Ничего, мы дадим тебе особый аппаратик! — уговаривал его Трурль.
Станислав Лем, «Кибериада»
Можно ли с помощью микроскопа разглядеть атом, отличить его от другого атома, проследить за разрушением или образованием химической связи и увидеть, как одна молекула превращается в другую? Да, если это не простой микроскоп, а атомно-силовой. А можно и не ограничиваться наблюдением. Мы живем в то время, когда атомно-силовой микроскоп перестал быть просто окном в микромир.
Сегодня этот прибор можно использовать для перемещения атомов, разрушения химических связей, изучения предела растяжения одиночных молекул — и даже для исследования генома человека.
Буквы из ксеноновых пикселей
Рассмотреть атомы не всегда было так просто. История атомно-силового микроскопа началась в 1979 году, когда Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в Исследовательском центре компании IBM в Цюрихе, приступили к созданию прибора, который позволил бы изучать поверхности с атомным разрешением. Чтобы придумать такое устройство, исследователи решили использовать эффект туннельного перехода — способность электронов преодолевать, казалось бы, непроходимые барьеры. Идея состояла в том, чтобы, измеряя силу туннельного тока, возникающего между сканирующим зондом и изучаемой поверхностью, определять положение атомов в образце.
У Биннига и Рорера получилось, и они вошли в историю как изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), а в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике.
Сканирующий туннельный микроскоп совершил настоящую революцию в физике и химии.
В 1990 году Дон Айглер и Эрхард Швайцер, работавшие в исследовательском центре IBM в Калифорнии, показали, что СТМ можно применять не только для наблюдения за атомами, но для манипулирования ими. С помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа они создали, возможно, самый популярный образ, символизирующий переход химиков к работе с отдельными атомами — нарисовали на никелевой поверхности три буквы 35 атомами ксенона (рис. 1).
Бинниг не стал почивать на лаврах — в год получения Нобелевской премии совместно с Кристофером Гербером и Кельвином Куэйтом, также работавшими в Цюрихском исследовательском центре IBM он начал работу над еще одним устройством для изучения микромира, лишенного недостатков, которые присущи СТМ. Дело в том, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа нельзя было изучать диэлектрические поверхности, а только проводники и полупроводники, да и для анализа последних между ними и зондом микроскопа нужно было создать значительное разрежение.
Поняв, что создать новое устройство проще, чем модернизировать существующее, Бинниг, Гербер и Куэйт изобрели атомно-силовой микроскоп, или АСМ. Принцип его работы кардинально иной: для получения информации о поверхности измеряют не силу тока, возникающую между зондом микроскопа и изучаемым образцом, а значение возникающих между ними сил притяжения, то есть слабых нехимических взаимодействий — сил Ван-дер-Ваальса.
Первая рабочая модель АСМ была устроена сравнительно просто. Исследователи перемещали над поверхностью образца алмазный зонд, связанный с гибким микромеханическим датчиком — кантилевером из золотой фольги (между зондом и атомом возникает притяжение, кантилевер гнется в зависимости от силы притяжения и деформирует пьезоэлектрик). Степень изгиба кантилевера определялась с помощью пьезоэлектрических датчиков — сходным образом канавки и гребни виниловой пластинки превращаются в аудиозапись. Конструкция атомно-силового микроскопа позволяла ему детектировать силы притяжения до 10–18 ньютон.
Через год после создания рабочего прототипа исследователям удалось получить изображение рельефа поверхности графита с разрешением в 2,5 ангстрема.
За три десятка лет, прошедших с тех пор, АСМ использовали для изучения практически любых химических объектов — от поверхности керамического материала до живых клеток и отдельных молекул, причем находящихся как в статическом, так и динамическом состоянии. Атомно-силовая микроскопия стала рабочей лошадкой химиков и материаловедов, а количество работ, в которых применяется этот метод, постоянно растет (рис. 2).
За эти годы исследователи подобрали условия и для контактного, и для бесконтактного изучения объектов с помощью атомно-силовой микроскопии. Контактный метод описан выше, он основан на вандерваальсовом взаимодействии между кантилевером и поверхностью. При работе в бесконтактном режиме пьезовибратор возбуждает колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к тому, что и амплитуда, и фаза колебаний зонда изменяются.
Несмотря на некоторые недостатки бесконтактного метода (в первую очередь чувствительность к внешним шумам), именно он исключает воздействие зонда на исследуемый объект, а значит, интереснее для химиков.
Живо по зондам, в погоню за связями
Бесконтактной атомно-силовая микроскопия стала в 1998 году благодаря работам ученика Биннига — Франца Йозефа Гиссибла. Именно он предложил использовать в качестве кантилевера кварцевый эталонный генератор стабильной частоты. Спустя 11 лет исследователи из лаборатории IBM в Цюрихе предприняли еще одну модификацию бесконтактного АСМ: роль зонда-сенсора выполнял не острый кристалл алмаза, а одна молекула — монооксид углерода. Это позволяло перейти к субатомному разрешению, что и продемонстрировал Лео Гросс из цюрихского отдела IBM. В 2009 году с помощью АСМ он сделал видимыми уже не атомы, а химические связи, получив достаточно четкую и однозначно читаемую «картинку» для молекулы пентацена (рис. 3; Science, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.
1126/science.1176210).
Убедившись, что с помощью АСМ можно увидеть химическую связь, Лео Гросс решил пойти дальше и применить атомно-силовой микроскоп для измерения длин и порядков связей — ключевых параметров для понимания химической структуры, а следовательно, и свойств веществ.
Напомним, что различие в порядках связей указывает на разные значения электронной плотности и различные межатомные расстояния между двумя атомами (говоря проще, двойная связь короче одинарной). В этане порядок связи углерод-углерод равен единице, в этилене — двум, а в классической ароматической молекуле — бензоле — порядок связи углерод-углерод больше единицы, но меньше двух, и считается равным 1,5.
Определить порядок связи гораздо сложнее при переходе от простых ароматических систем к плоским или объемным поликонденсированным циклическим системам. Так, порядок связей в фуллеренах, состоящих из конденсированных пяти- и шестичленных углеродных циклов, может принимать любое значение от единицы до двух.
Та же самая неопределенность теоретически присуща и полициклическим ароматическим соединениям.
В 2012 году Лео Гросс совместно с Фабианом Моном показал, что атомно-силовой микроскоп с металлическим бесконтактным зондом, модифицированным монооксидом углерода, может измерять различия в распределении зарядов у атомов и межатомные расстояния — то есть параметры, ассоциированные с порядком связи (Science, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Для этого они изучили два типа химических связей в фуллерене — связь углерод-углерод, общую для двух шестичленных углеродсодержащих циклов фуллерена С60, и связь углерод-углерод, общую для пяти- и шестичленного циклов. Атомно-силовой микроскоп показал, что при конденсации шестичленных циклов образуется связь более короткая и с большим порядком, чем при конденсации циклических фрагментов C6 и C5. Изучение же особенностей химического связывания в гексабензокоронене, где вокруг центрального цикла C6 симметрично расположено еще шесть циклов C6, подтвердило результаты квантово-химического моделирования, согласно которым порядок связей С—С центрального кольца (на рис.
4 буква i) должен быть больше, чем у связей, объединяющих это кольцо с периферийными циклами (на рис. 4 буква j). Сходные результаты получили и для более сложного полициклического ароматического углеводорода, содержащего девять шестичленных циклов.
Порядки связей и межатомные расстояния, конечно же, интересовали химиков-органиков, но важнее это было тем, кто занимался теорией химической связи, предсказанием реакционной способности и изучением механизмов химических реакций. Тем не менее и химиков-синтетиков, и специалистов по изучению структуры природных соединений ждал сюрприз: оказалось, что атомно-силовой микроскоп можно применять для установления структуры молекул точно так же, как ЯМР или ИК-спектроскопию. Более того, он дает однозначный ответ на вопросы, с которыми эти методы не в состоянии справиться.
От фотографии к кинематографу
В 2010 году все тот же Лео Гросс и Райнер Эбел смогли однозначно установить строение природного соединения — цефаландола А, выделенного из бактерии Dermacoccus abyssi (Nature Chemistry, 2010, 2, 821–825, doi: 10.
1038/nchem.765). Состав цефаландола А установили ранее с помощью масс-спектрометрии, однако анализ спектров ЯМР этого соединения не давал однозначного ответа на вопрос о его структуре: возможны были четыре варианта. С помощью атомно-силового микроскопа исследователи сразу же исключили две из четырех структур, а из двух оставшихся правильный выбор сделали, сравнив результаты, полученные благодаря АСМ и квантово-химическому моделированию. Задача оказалась непростой: в отличие от пентацена, фуллерена и короненов, в состав цефаландола А входят не только атомы углерода и водорода, кроме того, у этой молекулы нет плоскости симметрии (рис. 5) — но и такую задачу удалось решить.
Еще одно подтверждение того, что атомно-силовой микроскоп можно использовать как аналитический инструмент, получили в группе Оскара Кустанца, в то время работавшего в инженерной школе Университета Осаки. Он показал, как с помощью АСМ различить атомы, отличающиеся друг от друга гораздо меньше, чем углерод и водород (Nature, 2007, 446, 64–67, doi: 10.
1038/nature05530). Кустанц исследовал поверхность сплава, состоящего из кремния, олова и свинца с известным содержанием каждого элемента. В результате многочисленных экспериментов он выяснил, что сила, возникающая между острием зонда АСМ и разными атомами, различается (рис. 6). Так, например, самое сильное взаимодействие наблюдалось при зондировании кремния, а самое слабое — при зондировании свинца.
Предполагается, что в дальнейшем результаты атомно-силовой микроскопии для распознавания отдельных атомов будут обрабатываться так же, как результаты ЯМР, — по сравнению относительных величин. Поскольку точный состав иглы датчика трудно контролировать, абсолютное значение силы между датчиком и различными атомами поверхности зависит от условий эксперимента и марки устройства, а вот отношение этих сил при любом составе и форме датчика остается постоянным для каждого химического элемента.
В 2013 году появились первые примеры использования АСМ для получения изображений отдельных молекул до и после химических реакций: создается «фотосет» из продуктов и полупродуктов реакции, который потом можно смонтировать своего рода документальный фильм (Science, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.
1126/science.1238187).
Феликс Фишер и Майкл Кромми из Университета Калифорнии в Беркли нанесли на поверхность серебра 1,2-бис[(2-этинилфенил)этинил]бензол, получили изображение молекул и нагрели поверхность, чтобы инициировать циклизацию. Половина исходных молекул превратилась в полициклические ароматические структуры, состоящие из конденсированных пяти шестичленных и двух пятичленных циклов. Еще четверть молекул образовала структуры, состоящие из четырех шестичленных циклов, связанных через один четырехчленный цикл, и двух пятичленных циклов (рис. 7) . Остальными продуктами были олигомерные структуры и, в незначительном количестве, полициклические изомеры.
Такие результаты дважды удивили исследователей. Во-первых, в ходе реакции образовалось всего лишь два главных продукта. Во-вторых, удивление вызвала их структура. Фишер отмечает, что химическая интуиция и опыт позволяли нарисовать десятки возможных продуктов реакции, однако ни один из них не соответствовал тем соединениям, которые образовывались на поверхности.
Возможно, протеканию нетипичных химических процессов способствовало взаимодействие исходных веществ с подложкой.
Естественно, что после первых серьезных успехов в изучении химических связей некоторые исследователи решили применить АСМ для наблюдения более слабых и менее изученных межмолекулярных взаимодействий, в частности водородной связи. Однако в этой области работы еще только начинаются, а результаты их противоречивы. Так, в одних публикациях сообщается, что атомно-силовая микроскопия позволила наблюдать водородную связь (Science, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), в других утверждают, что это всего лишь артефакты, обусловленные конструкционными особенностями прибора, а экспериментальные результаты нужно интерпретировать аккуратнее (Physical Review Letters, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Возможно, окончательный ответ на вопрос, можно ли наблюдать водородные и другие межмолекулярные взаимодействия с помощью атомно-силовой микроскопии, будет получен уже в этом десятилетии.
Для этого необходимо еще хотя бы в несколько раз повысить разрешение АСМ и научиться получать изображения без помех (Physical Review B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).
Синтез одной молекулы
В умелых руках и СТМ и АСМ превращаются из приборов, способных изучать вещество, в приборы, способные направленно изменять строение вещества. С помощью этих устройств уже удалось получить «самые маленькие химические лаборатории», в которых вместо колбы используется подложка, а вместо молей или миллимолей реагирующих веществ — отдельные молекулы.
Например, в 2016 году международная группа ученых во главе с Такаси Кумагаи использовала бесконтактную атомно-силовую микроскопию для перевода молекулы порфицена из одной ее формы в другую (Nature Chemistry, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфицен можно рассматривать как модификацию порфирина, во внутреннем цикле которого содержится четыре атома азота и два атома водорода. Колебания зонда АСМ передавали молекуле порфицена достаточно энергии для переноса этих водородов от одних атомов азота к другим, и в результате получалось «зеркальное отражение» этой молекулы (рис. 8).
Группа под руководством неутомимого Лео Гросса также показала, что возможно инициировать реакцию отдельно взятой молекулы, — они превратили дибромантрацен в десятичленный циклический диин (рис. 9; Nature Chemistry, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). В отличие от Кумагаи с соавторами, они использовали сканирующий туннельный микроскоп для активации молекулы, а за результатом реакции следили с помощью атомно-силового микроскопа.
Комбинированное применение сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа позволило даже получить молекулу, которую невозможно синтезировать с помощью классических приемов и методов (Nature Nanotechnology, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Это триангулен — нестабильный ароматический бирадикал, существование которого было предсказано шесть десятилетий назад, но все попытки синтеза были неудачными (рис. 10). Химики из группы Нико Павличека получили искомое соединение, оторвав от его прекурсора два атома водорода с помощью СТМ и подтвердив синтетический результат с помощью АСМ.
Предполагается, что число работ, посвященных применению атомно-силовой микроскопии в органической химии, еще будет расти. В настоящее время все больше ученых пытаются повторить на поверхности реакции, хорошо знакомые «растворной химии». Но, возможно, химики-синтетики начнут воспроизводить в растворе те реакции, которые были первоначально осуществлены на поверхности с помощью АСМ.
От неживого — к живому
Кантилеверы и зонды атомно-силовых микроскопов можно применять не только для аналитических исследований или синтеза экзотических молекул, но и для решения прикладных задач. Уже известны случаи использования АСМ в медицине, например для ранней диагностики рака, и здесь пионером выступает тот самый Кристофер Гербер, который приложил руку к разработке принципа атомно-силовой микроскопии и созданию АСМ.
Так, Герберу удалось научить АСМ определять точечную мутацию рибонуклеиновой кислоты при меланоме (на материале, полученном в результате биопсии). Для этого золотой кантилевер атомно-силового микроскопа модифицировали олигонуклеотидами, которые могут вступать в межмолекулярное взаимодействие с РНК, а силу этого взаимодействия все также можно измерить за счет пьезоэффекта.
Чувствительность сенсора АСМ настолько велика, что его уже пытаются применить для изучения эффективности популярного метода редактирования геномов CRISPR-Cas9. Здесь воедино объединяются технологии, созданные разными поколениями исследователей.
Перефразируя классика одной из политических теорий, можно сказать, что мы уже сейчас видим безграничные возможности и неисчерпаемость атомно-силовой микроскопии и вряд ли в силах представить, что ждет нас впереди в связи с дальнейшим развитием этих технологий. Но уже сегодня сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп дают нам возможность увидеть атомы и прикоснуться к ним. Можно сказать, что это не только продолжение наших глаз, позволяющее заглянуть в микрокосм атомов и молекул, но и новые глаза, новые пальцы, способные прикоснуться к этому микрокосму и управлять им.
Молекула атома — Bilder und stockfotos
125.186Bilder
- Bilder
- Fotos
- Grafiken
- Vektoren
- Videos
DurchSteRen 125.
186999999999999999999999969.. Oder starten Sie eine neuesuche, um noch mehr Stock-Photografie und Bilder zu entdecken.
wassermolekülmodell. — атом молекула фото и фотографии
Wassermolekülmodell.
Wassermolekülmodell, wissenschaftlicher oder medizinischer Hintergrund, 3D-иллюстрация.
molekül flache glyphensymbole gesetzt. chemiewissenschaft, молекулярная структура, химическая рабочая ДНК-цель-белок-вектор-иллюстрация. zeichen wissenschaftliche forschung. силуэт пиктограмма пиктограмма совершенный 64×64 — атом молекула сток-графики, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Molekül flashe Glyphensymbole gesetzt. Chemiewissenschaft,…
Molekül flache Glyphensymbole setzen. Chemiewissenschaft, Molekularstructur, chemisches Labor DNA-Zell-Protein-Vektor-Illustrationen. Unterzeichnet wissenschaftliche Forschung. Пиктограмма силуэта Pixel Perfect 64×64.
Абстрактная наномолекулярная структура — атом молекула фото и изображения
Абстрактная наномолекулярная структура
Молекула в жидком пузыре — атом молекула фото и изображения
Молекула в жидком пузыре
Молекула в жидком пузыре, косметика, эссенция3
атом-молекул-векторсимвол — атом молекула стоковые изображения, -клипарт, -мультфильмы и -символ
атом-молекул-векторсимвол
молекулярная структура — атом молекула стоковые фотографии и изображения
Молекулярная структура
Wissenschaftlicher Hintergrund.
3D-рендеринг.
Wissenschaft-Hintergrund mit molekülen und atomen — атомные молекулы стоковые фотографии и изображения
Wissenschaft-Hintergrund mit Molekülen und Atomen
3D-иллюстрация молекулярных моделей. Wissenschaftlicher Hintergrund mit Molekülen und Atomen
атом-символ — атом-молекула фондовая графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
атом-символ
молекула дер формы. — атомная молекула сток-графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Молекул дер Формель.
Molekülstruktur — Молекула атома Сток -фотос и Bilder
Molekülstruktur
Atom, Molekül, Molekülstruktur, Elektron, Proton
Kette Von Aminosäuren Oder Biomolekülen, Hee Broiteinnnt -Werden -il -il -il -il -il -il -il -il -illuration -hilluration -il -hilluration -il -hilluration -il -il -il -il -il -il -il -il -il -il -il -il -il -il -il -hillurator oder Biomolekülen, die Protein genannt…
wissenschaft oder medizinischenhintergrund mit molekülen und atomen.
— атом молекула фото и фотографии
Wissenschaft oder medizinischen Hintergrund mit Molekülen und…
atomkern mit elektronen — атомная молекула фото и изображения
Atomkern mit Elektronen
modell der atom- und elementarteilchen. физик-концепт. 3D-образ изображения. — атом молекула фото и фотографии
Модель атома и элемента. Физик-Концепт. 3D-Gerende
абстрактная наномолекулярная структура. Wasser 3d kugeln — атом молекула фото и изображения
Абстрактные наномолекулярные структуры. Wasser 3D Kugeln
Нанотехнологии и абстрактные графы
абстрактный атом. молекулярная модель — атом молекула стоковые графики, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Abstrakte Atom. Molekül-Modell
Abstraktes Atom mit Kern und Bahnen mit Elektronen. Векториллюстрация. 3D-Химические технологии-Концепт. Molekülmodell
Verbindung Struktur Molekül der dna Neuronen Hintergrund musterdesign-wissenschaft-technologie-vektor-illustration — атом молекула фондовая графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Verbindung Struktur Molekül der DNA Neuronen Hintergrund.
..
Verbindungsstruktur Molekül der DNA und Neuronen abstrakte Hintergrundmedizin nahtlose Musterwissenschaft Technologie Vectorillustration for Ihr Design.
Флэш-векторный значок абстрактного атома или молекулярных моделей — атомная молекула, графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ -мультфильмы и -символ
wissenschaftliche Atomelemente
abstrakte wissenschaft, hände halten atomare teilchen, kernenergie bilder und netzwerkverbindung auf dunklem hintergrund. — атом молекула фото и фотографии
Abstrakte Wissenschaft, Hände halten атома Teilchen,…
молекула атома или атом — атом молекула фото и фото
белая молекула или атом
молекулярные логотипы. entwicklung konzept formel chemie gentechnologie medizinische informationen zelle vektor-illustrationen — атом молекула сток-графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Молекулярные логотипы. Entwicklung Konzept Formel Chemie…
Molekulare Logotypen.
Evolutionskonzept Formel Chemie Gentechnologie Medizinische Informationen Knoten Zellvektor Illustrationen. Молекулярная ДНК, химическая форма Атом
Элементарная наука студент с моделью атома искусства lehrreichen spielsachen — атом молекула фото и фотографии
Студент элементарной науки с моделью атома искусства…
chemie-icon-skizze — атом молекула фондовая графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Chemie-Icon-Skizze
Chemie-Ikone im Doodle-Stil mit Brennerkolben-DNA-Struktur und Formeln organischer Substanzen isolierter Vektorillustration
viele molekulare auf blauem hintergrund — atom molecule stock-fotos und bilder
Viele berunlaud molekulare 0 Hautnah — Atom Molecule стоковые фотографии и изображения
Atom Energie Hautnah
abstrakte moleküle entwerfen. векторная иллюстрация — атомная молекула, графика, клипарт, мультфильмы и символы
Abstrakte Moleküle entwerfen. Вектор-иллюстрация
структура атомов — атом молекула сток-график, клипарт, мультфильмы и символы
структура атомов
атом и молекула вектор-иллюстрация.
Диаграмма связей меченых соединений. — атом молекула сток-графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Атом и молекула вектор-иллюстрация. Облигации меченых соединений…
Atome und Moleküle Vektorillustration. Диаграмма «Beschriftete Verbindungen» Ionisches und kovalentes Erklärungsschema mit pädagogischem Beispiel. Physik und Chemie Substanzelementpartikel Infografik.
glänzende-molekül — атом молекула фото и фото
Glänzende-Molekül
Молекул тринитротолуола. Isoliert auf weiß. 3D-рендеринг.
молекулярная модель Bunt — атом молекула фото и изображения
Молекулярная модель Bunt
3D-иллюстрация атомов, dh der kleinsten Bestandseinheit Gewöhnlicher Materie, умирают Eigenschaften eines chemischen Elements aufweist.
satz von wissenschaft logo-vorlagen, kreative gepunktete logotypen, moderne abstrakte formen, vektor-emblem-sammlung — атом молекула сток-графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Satz von Wissenschaft Logo-Vorlagen, креативный элемент.
..
Химическая модель Молекулярная вода, формирующая элемент Wissenschaftliche. интегрировать естественные анорганические 3D-молекулярные структуры с лучшей стороны. zwei wasserstoff- und sauerstoffvolumen-atomvektorkugeln — атомная молекула фондовая графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Chemie Modell Molekül Wasser h3O wissenschaftliche Element Formel.
modell des moleküls low poly wireframe — атомная молекула сток-графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Modell des Moleküls Low Poly Wireframe
Ein abstraktes Modelle eines Molekül-Low-Poly-Wireframes auf blauem Hintergrund. Wissenschaftliches und medizinisches Konzept mit verbundenen Punkten. Звездное небо Низкополигональная каркасная цифровая векторная иллюстрация на белом фоне.
blue-atom — атом молекула сток-графики, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Blue-Atom
энергия молекулы или атома — атом молекула сток-фотографии и изображения
энергия молекулы или атома
собрание молекулярных химических моделей -sauerstoff-natriumkohlenstoffstickstoff и хлор.
vektormoleküle illustration isoliert auf weißemhintergrund — атом молекула сток-графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Sammlung molekularchemischer Modelle Kombinationen aus…
Sammlung molekularchemischer Modellkbinationen aus Wasserstoff-Sauerstoff-Natriumkohlenstoff-Stickstoff und Chlor. Vektormolekül-Set-Illustration isoliert auf weißem Hintergrund
молекулы. 3d-концепт-иллюстрация. векторный рисунок. — атом молекула сток-график, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Молекула. 3D-Концепт-иллюстрация. Вектор Форлаге.
abstraktes nano-molekularstrukturkonzept — атом молекула фото и изображения
Abstraktes Nano-Molekularstrukturkonzept
Hintergrund
moleküle. 3D прозрачная молекулярная структура, химическая макромодель с отражением. генетические и биотехнологические абстрактные изолированные вектор-набор — атом молекула графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Moleküle.
3D Transparenz Molekulare Strukturen, Chemie…
Moleküle. 3D-прозрачная молекулярная структура, химическая макромодель с отражением. Генетический и биотехнологический абстрактный изолированный векторный набор аптечных капсул
h3o wasser-molekül-modell und chemische formel — атом молекула фондовая графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
h3O Wasser-Molekül-Modell и химическая форма
h3O. Wassermolekülmodell, chemische Formel, Ball-and-Stick-Modell, Geometrische Struktur und Strukturformel. Polare anorganische Verbindung, geschmacks- und geruchlose Flüssigkeit. Иллюстрация über Weiß. Вектор.
vektormolekülhintergrund, Genetische und chemische verbindungen — атом молекула сток-графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Vektormolekül Hintergrund, genetische und chemische Verbindungen
molekül — атом молекула фото и изображения
Molekül
abstrakte beleuchtete blaue kreisform von partikeln array auf dunklemhintergrund technologiekonzept.
цифровой взрыв. — атом молекула сток-графики, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Белая абстракция синего Kreisform von Partikeln Array auf…
Абстрактная белоснежная голубая Kreisform der Partikel Array auf dunklem Hintergrund Technologiekonzept. Цифровой взрыв. Футуристическая векторная иллюстрация
klug und creativ, punkte oder punkte buchstaben c-logo-design-vorlage. geometrisches punktkreis wissenschaftsmedizin. универсальная энергетическая планета суровый атом вектор-символ. — атомная молекула сток-графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Klug und kreativ, Punkte oder Punkte Buchstaben C-Logo-Design-Vorl
high-school-mädchen studieren-molekül in science-klasse — атом молекула сток-фотографии und bilder
High-school-Mädchen studieren-Molekül in science-Klasse
nano moleculehintergrundstockfoto — атом молекулы стоковые фото и фото
Nano Molecules Hintergrundstockfoto
атом-молекула в руке. — атом молекула фото и фотографии
атом-молекула в Weiblichen Händen.
Atommolekül in weiblichen Händen auf blauem Hintergrund.
молекулярный символ. вектор-иллюстрация энтальтен значок-аминозавр, пептид, гормон, белок, коллаген, озон, o2 химическая форма пиктограмма для химии. grüne farbe bearbeitbarer strich — атом молекула сток-графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Molekülliniensymbole. Увлекательная векторная иллюстрация Icon-Aminosäur
Molekülliniensymbole. Die Vectorillustration umfasste das Symbol Aminosäure, Peptid, Hormon, Protein, Kollagen, Ozon, O2 chemische Formel Umriss Piktogramm für die Chemie. Bearbeitbarer Strich mit grüner Farbe.
3D-иллюстрация молекулы. фон атома. Medizinischer Hintergrund для баннера или листовки. молекулярная структура атомарного вещества. — атом молекула стоковые фотографии и изображения
3D-иллюстрации Moleküle. Фон атома. Медицинская…
абстрактный символ II — атом молекула сток-графики, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Абстрактные символы II
3d-модель молекулы h3-wasserstoff — атом молекула сток-фотографии и изображения
3D-модель молекулы h3-Wasserstoff3
3 wissenschaft-konzept.
метан или молекула аммиака. 3D аббилдунг gerendert. — атом молекула фото и фотографии
Wissenschaft-Konzept. Метан или Аммониак Moleküle. 3D…
молекулярный набор векторных символов — атомная молекула, графика, клипарт, мультфильмы и символы
Moleküle Symbole Vector-Set
абстрактная наномолекулярная структура. Wasser 3d kugeln — атом молекула фото и изображения
Абстрактные наномолекулярные структуры. Wasser 3D Kugeln
set von realistischen иллюстрация. elektronen drehen sich in umlaufbahnen um das konzept des atomkerns — атом молекула сток-график, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Symbol der Wissenschaft Forschung Atom Logo Vektor-Symbol-Illustra
абстрактная молекулярная структура с частицами. wissenschaftlicher hintergrund. verbindungsstruktur. 3D векторные иллюстрации для дизайна. — атом молекула сток-графики, -клипарт, -мультфильмы и -символ
Abstrakte Molekularstruktur mit Partikeln. Wissenschaftlicher…
Студент-подросток в химической лаборатории — атомная молекула фото и изображения
Студент-подросток в химической лаборатории
Японская средняя школа-Mädchen mit einem molekularen Glukosemodell im Chemielabor
wasserstoffmolekül oder atom — атом молекула фото и фотографии
Wasserstoffmolekül oder Atom
из 100
Ученые сделали первые изображения молекул до и после реакции
Мечта каждого химика — получить изображение химического вещества в атомном масштабе до и после его реакции — теперь сбылась благодаря новой методике, разработанной химиками и физиками в Калифорнийский университет, Беркли.
С помощью ультрасовременного атомно-силового микроскопа ученые сделали первые снимки атома за атомом, в том числе изображения химических связей между атомами, ясно показывающие, как структура молекулы изменялась во время реакции. До сих пор ученые могли получать информацию такого типа только из спектроскопического анализа.
Изображения (в центре) молекулы до и после реакции, полученные с помощью бесконтактного атомно-силового микроскопа (nc-AFM), значительно лучше изображений (вверху), полученных с помощью сканирующего туннельного микроскопа, и выглядят так же, как классические диаграммы молекулярной структуры (внизу).
«Несмотря на то, что я использую эти молекулы изо дня в день, возможность видеть эти картинки меня поразила. Ух ты!» сказал ведущий исследователь Феликс Фишер, доцент кафедры химии Калифорнийского университета в Беркли. «Это было то, что мои учителя говорили, что вы никогда не сможете увидеть на самом деле, и теперь у нас есть это здесь».
Способность изображать таким образом молекулярные реакции поможет не только студентам-химикам при изучении химических структур и реакций, но также впервые покажет химикам продукты их реакций и поможет им точно настроить реакции, чтобы получить продукты, которые они хотят.
Фишер вместе с коллегой Майклом Кромми, профессором физики Калифорнийского университета в Беркли, сделали эти изображения с целью создания новых графеновых наноструктур, что сегодня является горячей областью исследований для материаловедов из-за их потенциального применения в компьютерах следующего поколения.
«Однако последствия выходят далеко за рамки простого графена», — сказал Фишер. «Эта методика найдет применение, например, при изучении гетерогенного катализа», который широко используется в нефтяной и химической промышленности. Гетерогенный катализ включает использование металлических катализаторов, таких как платина, для ускорения реакций, например, в каталитическом нейтрализаторе автомобиля.
«Чтобы понять химию, которая на самом деле происходит на каталитической поверхности, нам нужен очень избирательный инструмент, который сообщает нам, какие связи действительно образовались, а какие разорвались», — добавил он. «Этот метод сейчас уникален по точности, с которой он дает вам структурную информацию.
Я думаю, что это прорыв».
«Атомно-силовой микроскоп дает нам новую информацию о химической связи, которая невероятно полезна для понимания того, как соединяются различные молекулярные структуры и как можно преобразовать одну форму в другую», — сказал Кромми. «Это должно помочь нам создавать новые инженерные наноструктуры, такие как связанные сети атомов, которые имеют определенную форму и структуру для использования в электронных устройствах. Это указывает путь вперед».
Фишер и Кромми вместе с другими коллегами из Калифорнийского университета в Беркли в Испании и из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL) опубликовали свои выводы в Интернете 30 мая в журнале 9.0207 Научный экспресс .
От тени к снимку
Традиционно Фишер и другие химики проводят детальный анализ для определения продуктов химической реакции, и даже тогда фактическое трехмерное расположение атомов в этих продуктах может быть неоднозначным.
«В химии вы бросаете что-то в колбу, а оттуда выходит что-то еще, но обычно вы получаете очень косвенную информацию о том, что у вас есть», — сказал Фишер.
«Вы должны сделать вывод, взяв ядерно-магнитный резонанс, инфракрасный или ультрафиолетовый спектры. Это больше похоже на головоломку, собирающую всю информацию воедино, а затем определяющую структуру. Но это всего лишь тень. Здесь у нас на самом деле есть техника, с помощью которой мы можем посмотреть на нее и сказать, что это именно та молекула. Это как сделать снимок».
Атомно-силовой микроскоп исследует молекулу, адсорбированную на поверхности, используя молекулу окиси углерода на кончике для чувствительности.
Fischer разрабатывает новые методы создания графеновых наноструктур, обладающих необычными квантовыми свойствами, которые могут сделать их полезными в электронных устройствах наномасштаба. Атомы углерода расположены шестиугольно, как проволочная сетка. Вместо того, чтобы разрезать лист чистого углерода — графена — он надеется поместить на поверхность группу более мелких молекул и заставить их собраться вместе в желаемую архитектуру. Проблема, по его словам, заключается в том, как определить, что на самом деле было сделано.
Именно тогда он обратился к Кромми, который использует атомно-силовые микроскопы для исследования поверхностей материалов с атомарным разрешением и даже перемещает атомы по отдельности на поверхности. Работая вместе, они разработали способ охладить реакционную поверхность и молекулы до температуры жидкого гелия — около 4 Кельвинов, или 270 градусов по Цельсию ниже нуля, — что предотвращает раскачивание молекул. Затем они использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы определить местонахождение всех молекул на поверхности, и остановились на нескольких, чтобы более точно изучить их с помощью атомно-силового микроскопа. Чтобы улучшить пространственное разрешение своего микроскопа, они поместили одну молекулу монооксида углерода на иглу. Метод, называемый бесконтактным АСМ, впервые был использован Герхардом Мейером и его сотрудниками из IBM Zurich для изображения молекул несколько лет назад.
После визуализации молекулы — «циклической» структуры с несколькими шестиугольными кольцами углерода, которую Фишер создал специально для этого эксперимента — Фишер, Кромми и их коллеги нагревали поверхность до тех пор, пока молекула не прореагировала, а затем снова охладили поверхность до 4 Кельвинов и представили продукты реакции.
«Выполняя это на поверхности, вы ограничиваете реакционную способность, но у вас есть преимущество, заключающееся в том, что вы можете фактически посмотреть на одну молекулу, дать этой молекуле имя или номер, а затем посмотреть, во что она превращается в продуктах». он сказал.
«В конечном счете, мы пытаемся разработать новую химию поверхности, которая позволит нам строить архитектуры более высокого порядка на поверхностях, и это может привести к таким приложениям, как создание электронных устройств, устройств хранения данных или логических элементов из углеродных материалов».
Соавторами исследования являются Димас Г. де Отейза, Йен-Чиа Чен, Себастьян Викенбург, Александр Рисс, Захра Педрамрази и Хсин-Зон Цай из физического факультета Калифорнийского университета в Беркли; Патрик Горман и Гриша Эткин с химического факультета; и Дункан Дж. Моубрей и Анхель Рубио из исследовательских центров в Сан-Себастьяне, Испания. Кромми, Фишер, Чен и Викенбург также работают в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.