Атомы под микроскопом: Настоящее фото атома

Как выглядят атомы под микроскопом. Первое изображение орбитальной структуры атома водорода. От неживого

ПостНаука развенчивает научные мифы и объясняет общепринятые заблуждения. Мы попросили наших экспертов прокомментировать популярные представления о строении и свойствах атомов.

Модель Резерфорда соответствует современным представлениям о строении атома

Это правда, но отчасти.
Планетарная модель атома, заключающаяся в том, что легкие электроны вращаются вокруг тяжелого ядра, подобно планетам вокруг Солнца, была предложена Эрнестом Резерфордом в 1911 году, после того как в его лаборатории было открыто само ядро. Бомбардируя листок металлической фольги альфа-частицами, ученые обнаружили, что подавляющее большинство частиц проходит через фольгу насквозь, подобно свету сквозь стекло. Однако незначительная их часть — примерно одна из 8000 — отражалась обратно к источнику. Резерфорд объяснил эти результаты тем, что масса распределена в веществе не равномерно, а сконцентрирована в «сгустки» — атомные ядра, которые несут положительный заряд, отталкивающий положительно заряженные альфа-частицы. Легкие отрицательно заряженные электроны избегают «падения» на ядро, вращаясь вокруг них, так что центробежная сила уравновешивает электростатическое притяжение.

Говорят, что, изобретя эту модель, Резерфорд воскликнул: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» Однако вскоре, вслед за воодушевлением, Резерфорд осознал и ущербность своей идеи. Вращаясь вокруг ядра, электрон создает вокруг себя переменные электрическое и магнитное поля. Эти поля распространяются со скоростью света в виде электромагнитной волны. А такая волна несет с собой энергию! Получается, что, вращаясь вокруг ядра, электрон будет непрерывно терять энергию и в течение миллиардных долей секунды упадет на ядро. (Может возникнуть вопрос, нельзя ли применить тот же самый аргумент к планетам Солнечной системы: почему же они на Солнце не падают? Ответ: гравитационные волны, если они вообще существуют, гораздо слабее электромагнитных, а энергия, запасенная в планетах, намного больше, чем в электронах, поэтому «запас хода» у планет на много порядков дольше. )

Разрешить противоречие Резерфорд поручил своему сотруднику, молодому теоретику Нильсу Бору. Поработав два года, Бор нашел частичное решение. Он постулировал, что среди всевозможных орбит электрона существуют такие, на которых электрон может находиться в течение долгого времени не излучая. Электрон может переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом поглощая или излучая квант электромагнитного поля с энергией, равной разности энергий двух орбит. Пользуясь начальными принципами квантовой физики, которые уже были открыты к тому времени, Бор сумел вычислить параметры стационарных орбит и, соответственно, энергии квантов излучения, соответствующих переходам. Эти энергии к тому моменту были измерены с помощью методов спектроскопии, и теоретические предсказания Бора почти идеально совпали с результатами этих измерений!

Несмотря на этот триумфальный результат, теория Бора едва ли вносила ясность в вопрос физики атома, ведь она была полуэмпирической: постулируя наличие стационарных орбит, она никак не объясняла их физическую природу. Глубинное разъяснение вопроса потребовало еще не менее двух десятков лет, в течение которых была разработана квантовая механика как систематическая, цельная физическая теория.

В рамках этой теории электрон подчиняется принципу неопределенности и описывается не материальной точкой, подобно планете, а волновой функцией, «размазанной» по всей орбите. В каждый момент времени он находится в суперпозиции состояний, соответствующих всем точкам орбиты. Поскольку плотность распределения массы по пространству, определяемая волновой функцией, не зависит от времени, переменного электромагнитного поля вокруг электрона не создается; нет и потерь энергии.

Таким образом, планетарная модель дает верное наглядное представление о том, как выглядит атом, — Резерфорд был прав в своем восклицании. Однако она не дает объяснения того, как устроен атом: это устройство много сложнее и глубже, чем-то, что смоделировал Резерфорд.

В заключение отмечу, что «миф» о планетарной модели в самом центре интеллектуальной драмы, породившей перелом в физике сто лет назад и в значительной мере сформировавшей эту науку в ее современном виде.

Александр Львовский

PhD in Physics, профессор физического факультета университета Калгари, руководитель научной группы, член научного совета Российского квантового центра, редактор научного журнала Optics Express

Отдельными атомами можно управлять

Это правда.
Конечно, можно, почему нет? Управлять можно разными параметрами атома, а их у атома достаточно много: у него есть положение в пространстве, скорость, а есть и внутренние степени свободы. Внутренние степени свободы определяют магнитные и электрические свойства атома, а также готовность испускать свет или радиоволны. В зависимости от внутреннего состояния атома он может быть более или менее активен в столкновениях и химических реакциях, менять свойства окружающих атомов, от его внутреннего состояния зависит и его отклик на внешние поля. В медицине, например, используют так называемые поляризованные газы для построения томограмм легких — в таких газах все атомы находятся в одном и том же внутреннем состоянии, что позволяет «видеть» по их отклику заполняемый ими объем.

Управлять скоростью атома или его положением не так уж сложно, гораздо сложнее выделить для контроля ровно один атом. Но и это сделать можно. Один из подходов к такому выделению атома реализуется с помощью лазерного охлаждения. Для контроля всегда удобно иметь известное начальное положение, совсем хорошо, если атом при этом еще и не движется. Лазерное охлаждение позволяет достичь и того и другого, локализовать атомы в пространстве и охладить их, то есть свести их скорость практически к нулю. Принцип лазерного охлаждения тот же, что у реактивного самолета, только последний испускает струю газа, чтобы разогнаться, а в первом случае атом, наоборот, поглощает поток фотонов (частиц света) и тормозится. Современные методы лазерного охлаждения позволяют охладить миллионы атомов до скоростей пешехода и ниже. Дальше в игру вступают различного рода пассивные ловушки, например дипольная ловушка. Если для лазерного охлаждения используется световое поле, которое атом активно поглощает, то для его удержания в дипольной ловушке частоту света подбирают вдали от всякого поглощения. Оказывается, что сильно сфокусированный лазерный свет способен поляризовать мелкие частицы и пылинки и втягивать в область наибольшей интенсивности света. Атом не является исключением и также втягивается в область самого сильного поля. Оказывается, что если сфокусировать свет максимально сильно, то в такой ловушке может удержаться только ровно один атом. Дело в том, что если в ловушку попадает второй, то он оказывается настолько сильно прижат к первому, что они образуют молекулу и при этом выпадают из ловушки. Впрочем, такая острая фокусировка является не единственным способом выделения единственного атома, можно использовать и свойства взаимодействия атома с резонатором для заряженных атомов, ионов, можно использовать электрические поля для захвата и удержания ровно одного иона и так далее. Можно и вовсе возбудить один атом в достаточно ограниченном ансамбле атомов в очень высоко возбужденное, так называемое ридберговское состояние. Атом, раз возбудившись в ридберговское состояние, блокирует возможность возбуждения соседей в такое же состояние и, если объем с атомами достаточно мал, будет единственным.

Так или иначе, после того как атом пойман, им можно управлять. Внутреннее состояние можно менять световыми и радиочастотными полями, используя нужные частоты и поляризацию электромагнитной волны. Можно перевести атом в любое наперед заданное состояние, будь то определенное состояние — уровень или их суперпозиция. Вопрос лишь наличия нужных частот и возможности сделать достаточно короткие и мощные управляющие импульсы. В последнее время появилась возможность более эффективно управлять атомами, удерживая их в окрестности наноструктур, что позволяет не только «разговаривать» с атомом более эффективно, но и использовать сам атом — точнее, его внутренние состояния — для управления потоками света, а в будущем, возможно, и для целей вычислений.

Управление позицией атома, удерживаемого ловушкой, совсем уже простая задача — достаточно подвинуть саму ловушку. В случае дипольной ловушки подвинуть пучок света, что можно сделать, например, подвижными зеркалами для лазерного шоу. Скорость атому можно придать опять же реактивным образом — заставить поглотить свет, а ион легко можно разогнать электрическим полями, так же как это делалось в электронно-лучевых трубках. Так что на сегодня принципиально сделать с атомом можно все что угодно, вопрос лишь времени и приложенных усилий.

Алексей Акимов

Атом неделим

Отчасти правда, отчасти нет.
Википедия дает нам следующее определение: «Атом (от др.-греч. ἄτομος — неделимый, неразрезаемый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов».

Сейчас любой образованный человек представляет атом в модели Резерфорда, коротко представленной последним предложением этого общепринятого определения. Казалось бы, ответ на поставленный вопрос/миф очевиден: атом — составной и сложный объект. Однако ситуация не столь однозначна. Древние философы вкладывали в определение атома скорее смысл существования элементарной и неделимой частицы материи и вряд ли связывали проблему со структурой элементов таблицы Менделеева. В атоме Резерфорда мы такую частицу действительно находим — это электрон.

Электрон в соответствии с современными представлениями, укладывающимися в так называемую

«>Стандартную модель, представляет собой точку, состояние которой описывается положением и скоростью. Важно, что одновременное задание этих кинематических характеристик невозможно вследствие принципа неопределенности Гейзенберга, но, рассматривая только одну из них, например координату, можно определить ее со сколь угодно высокой точностью.

Можно ли тогда, используя современную экспериментальную технику, попытаться локализовать электрон на масштабе, существенно меньшем атомного размера (~0,5 *10-8 см), и проверить его точечность? Оказывается, что при попытке локализовать электрон на масштабе так называемой комптоновской длины волны — примерно в 137 раз меньше размера атома водорода — электрон будет взаимодействовать со своей антиматерией и система станет неустойчивой.

Точечность и неделимость электрона и других элементарных частиц материи является ключевым элементом принципа близкодействия в теории поля и присутствует во всех фундаментальных уравнениях, описывающих природу. Таким образом, древние философы были не так далеки от истины, предполагая, что неделимые частицы материи существуют.

Дмитрий Куприянов

доктор физико-математических наук, профессор физики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, зав. кафедрой Теоретической физики СПбГПУ

Науке это пока неизвестно.
Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, предполагала, что электроны вращаются вокруг атомного ядра, подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. При этом естественно было предположить, что электроны — это твердые шарообразные частицы. Классическая модель Резерфорда была внутренне противоречивой. Со всей очевидностью движущиеся ускоренно заряженные частицы (электроны) должны были бы терять энергию за счет электромагнитного излучения и в конце концов падать на ядра атомов.

Нильс Бор предложил запретить этот процесс и ввести определенные требования к радиусам орбит, по которым движутся электроны. Феноменологическая модель Бора уступила место квантовой модели атома, разработанной Гейзенбергом, и квантовой же, но более наглядной модели атома, предложенной Шрёдингером. В шрёдингеровской модели электроны — это уже не мячики, летающие по орбите, а стоячие волны, которые, как облака, нависают над атомным ядром. Форма этих «облаков» описывалась введенной Шрёдингером волновой функцией.

Сразу же возник вопрос: в чем физический смысл волновой функции? Ответ предложил Макс Борн: квадрат модуля волновой функции — это вероятность найти электрон в данной точке пространства. И вот тут начались сложности. Встал вопрос: а что это значит — найти электрон в данной точке пространства? Не следует ли понимать утверждение Борна как признание, что электрон — это маленький шарик, который летает по некоторой траектории и который можно поймать в определенной точке этой траектории с некоторой вероятностью?

Именно такой точки зрения придерживались Шрёдингер и примкнувший к нему в этом вопросе Альберт Эйнштейн. Им возражали физики Копенгагенской школы — Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, которые утверждали, что между актами измерения электрон просто не существует, а значит, говорить о траектории его движения не имеет смысла. Дискуссия Бора и Эйнштейна об интерпретации квантовой механики вошла в историю. Победителем оказался вроде бы Бор: ему удалось, хотя и не очень внятно, опровергнуть все парадоксы, сформулированные Эйнштейном, и даже знаменитый парадокс «кота Шрёдингера», сформулированный Шрёдингером в 1935 году. В течение нескольких десятилетий большинство физиков соглашалось с Бором в том, что материя — это не объективная реальность, данная нам в ощущениях, как учил Карл Маркс, а нечто, возникающее только в момент наблюдения и не существующее без наблюдателя. Интересно, что в советское время кафедры философии в вузах учили, что такая точка зрения — это субъективный идеализм, то есть течение, идущее вразрез с объективным материализмом — философией Маркса, Энгельса, Ленина и Эйнштейна. В то же время на кафедрах физики студентов учили, что концепции Копенгагенской школы являются единственно правильными (возможно, потому, что к этой школе принадлежал самый известный советский физик-теоретик — Лев Ландау).

В настоящий момент мнения физиков разделились. С одной стороны, Копенгагенская интерпретация квантовой механики продолжает пользоваться популярностью. Попытки экспериментальной проверки справедливости этой интерпретации (например, успешная проверка так называемого неравенства Белла французским физиком Аленом Аспе) пользуются почти единодушным одобрением научной общественности. С другой стороны, теоретики совершенно спокойно обсуждают альтернативные теории, например теорию параллельных миров. Возвращаясь к электрону, можно сказать, что его шансы остаться бильярдным шаром пока не очень велики. В то же время они отличны от нуля. В 20-е годы XX века именно бильярдная модель комптоновского рассеяния позволила доказать, что свет состоит из квантов — фотонов. Во многих задачах, имеющих отношение к важным и полезным приборам (диодам, транзисторам), электрон удобно считать бильярдным шариком. Волновая природа электрона важна для описания более тонких эффектов, например отрицательного магнитосопротивления металлов.

Философский вопрос о том, существует ли шарик-электрон между актами измерения, в обычной жизни не имеет большого значения. Однако этот вопрос продолжает оставаться одной из наиболее серьезных проблем современной физики.

Алексей Кавокин

кандидат физико-математических наук, профессор Университета Саутгемптона, руководитель группы квантовой поляритоники Российского квантового центра, научный директор Средиземноморского института фундаментальной физики (Италия)

Атом можно полностью разрушить

Это правда.
Ломать не строить. Разрушить можно все что угодно, в том числе и атом, с какой угодно степенью полноты. Атом в первом приближении представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами. Первое разрушительное действие, которое можно совершить по отношению к атому, — оторвать от него электроны. Это можно сделать по-разному: можно сфокусировать на нем мощное лазерное излучение, можно облучить быстрыми электронами или другими быстрыми частицами. Атом, потерявший часть своих электронов, называется ионом. Именно в таком состоянии атомы пребывают на Солнце, где температуры настолько высоки, что сохранить свои электроны в столкновениях атомам практически не удается.

Чем больше электронов потерял атом, тем труднее оторвать остальные. В зависимости от атомного номера атом обладает большим или меньшим числом электронов. У атома водорода электрон вообще один, и он частенько теряет его даже в обычных условиях, и именно водород, потерявший свои электроны, определяет pH воды. Атом гелия имеет два электрона, и в полностью ионизованном состоянии носит название альфа-частицы — такие частицы мы уже ожидаем скорее от ядерного реактора, чем от обычной воды. Атомы, содержащие много электронов, требуют еще больше энергии для отрыва всех электронов, но тем не менее оторвать все электроны можно у любого атома.

Если все электроны оторваны, то остается ядро, но и его можно разрушить. Ядро состоит из протонов и нейтронов (обобщенно адронов), и, хотя они довольно сильно связаны, налетающая частица достаточно большой энергии может их разорвать. Тяжелые атомы, в которых нейтронов и протонов слишком много, имеют тенденцию разваливаться сами, выделяя довольно большую энергию — на этом принципе и основаны ядерные электростанции.

Но ведь даже если разбить ядро, оторвать все электроны, остаются исходные частицы: нейтроны, протоны, электроны. Их, конечно же, тоже можно уничтожить. Собственно, этим и занимается , который разгоняет протоны до огромных энергий, полностью разрушая их в столкновениях. При этом рождается множество новых частиц, которые и изучает коллайдер. Так же можно поступить и с электронами, и с любыми другими частицами.

Энергия разрушенной частицы не исчезает, она распределяется между другими частицами, и если их достаточно много, то быстро проследить исходную частицу в море новых превращений становится невозможно. Все можно разрушить, исключений нет.

Алексей Акимов

кандидат физико-математических наук, руководитель группы «Квантовые симуляторы» Российского квантового центра, преподаватель МФТИ, сотрудник ФИАН, исследователь в Harvard University

Атом водорода, запечатлев электронные облака. И хотя современные физики с помощью ускорителей могут определять даже форму протона, атом водорода, по-видимому, так и останется самым мелким объектом, изображение которого имеет смысл называть фотографией. «Лента.ру» представляет обзор современных методов фотографирования микромира.

Строго говоря, обычной фотографии в наши дни почти не осталось. Изображения, которые мы по привычке называем фотографиями и можем найти, к примеру, в любом фоторепортаже «Ленты.ру», вообще-то, являются компьютерными моделями. Светочувствительная матрица в специальном приборе (по традиции его продолжают называть «фотоаппаратом») определяет пространственное распределение интенсивности света в нескольких разных спектральных диапазонах, управляющая электроника сохраняет эти данные в цифровом виде, а потом другая электронная схема на основе этих данных отдает команду транзисторам в жидкокристаллическом дисплее. Пленка, бумага, специальные растворы для их обработки — все это стало экзотикой. А если мы вспомним буквальное значение слова, то фотография — это «светопись». Так что говорить о том, что ученым удалось сфотографировать
атом, можно лишь с изрядной долей условности.

Больше половины всех астрономических снимков уже давно делают инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы. Электронные микроскопы облучают не светом, а пучком электронов, а атомно-силовые и вовсе сканируют рельеф образца иглой. Есть рентгеновские микроскопы и магнитно-резонансные томографы. Все эти приборы выдают нам точные изображения различных объектов, и несмотря на то что о «светописи» говорить здесь, разумеется, не приходится, мы все же позволим себе именовать такие изображения фотографиями.

Эксперименты физиков по определению формы протона или распределения кварков внутри частиц останутся за кадром; наш рассказ будет ограничен масштабами атомов.

Оптика не стареет

Как выяснилось во второй половине XX века, оптическим микроскопам еще есть куда развиваться. Решающим моментом в биологических и медицинских исследованиях стало появление флуоресцентных красителей и методов, позволяющих избирательно помечать определенные вещества. Это не было «всего лишь новой краской», это был настоящий переворот.

Вопреки расхожему заблуждению, флуоресценция — это вовсе не свечение в темноте (последнее называется люминесценцией). Это явление поглощения квантов определенной энергии (скажем, синего света) с последующим излучением других квантов меньшей энергии и, соответственно, иного света (при поглощении синего испускаться будут зеленые). Если поставить светофильтр, который пропускает только излучаемые красителем кванты и задерживает свет, вызывающий флуоресценцию, можно увидеть темный фон с яркими пятнами красителей, а красители, в свою очередь, могут расцвечивать образец чрезвычайно избирательно.

Например, можно покрасить цитоскелет нервной клетки красным, синапсы выделить зеленым, а ядро — голубым. Можно сделать флуоресцентную метку, которая позволит обнаружить белковые рецепторы на мембране или синтезируемые клеткой в определенных условиях молекулы. Метод иммуногистохимического окрашивания совершил революцию в биологической науке. А когда генные инженеры научились делать трансгенных животных с флуоресцентными белками, этот метод пережил второе рождение: реальностью стали, например, мыши с окрашенными в разные цвета нейронами.

Кроме того, инженеры придумали (и отработали на практике) метод так называемой конфокальной микроскопии. Суть его заключается в том, что микроскоп фокусируется на очень тонкий слой, а специальная диафрагма отсекает создаваемую объектами вне этого слоя засветку. Такой микроскоп может последовательно сканировать образец сверху вниз и получать стопку снимков, которая является готовой основой для трехмерной модели.

Использование лазеров и сложных оптических систем управления лучом позволило решить проблему выгорания красителей и высыхания нежных биологических образцов под ярким светом: луч лазера сканирует образец только тогда, когда это необходимо для съемки. А чтобы не тратить время и силы на осмотр большого препарата через окуляр с узким полем зрения, инженеры предложили автоматическую систему сканирования: на предметный столик современного микроскопа можно положить стекло с образцом, и прибор самостоятельно отснимет масштабную панораму всего образца. При этом в нужных местах он будет наводить на резкость, а затем склеит множество кадров воедино.

В некоторые микроскопы можно посадить живых мышей, крыс или хотя бы мелких беспозвоночных животных. Другие дают небольшое увеличение, зато совмещены с рентгеновским аппаратом. Многие для устранения помех от вибраций монтируются на специальных столах массой в несколько тонн внутри помещений с тщательно контролируемым микроклиматом. Стоимость подобных систем превышает стоимость иных электронных микроскопов, а конкурсы на самый красивый кадр давно стали традицией. Кроме того, продолжается и совершенствование оптики: от поиска лучших сортов стекла и подбора оптимальных комбинаций линз инженеры перешли к способам фокусировки света.

Мы специально перечислили ряд технических подробностей для того, чтобы показать: прогресс в области биологических исследований давно связан с прогрессом в других областях. Если бы не существовало компьютеров, способных автоматически сосчитать число окрашенных клеток на нескольких сотнях фотографий, толку от супермикроскопов было бы немного. А без флуоресцентных красителей все миллионы клеток были бы неотличимы друг от друга, так что проследить за формированием новых или гибелью старых было бы практически невозможно.

По сути, первый микроскоп представлял собой струбцину с закрепленной на ней сферической линзой. Аналогом такого микроскопа может быть простая игральная карта с проделанным в ней отверстием и каплей воды. По некоторым данным подобные устройства применяли золотодобытчики на Колыме уже в прошлом столетии.

За дифракционным пределом

У оптических микроскопов есть принципиальный недостаток. Дело в том, что по форме световых волн невозможно восстановить форму тех предметов, которые оказались намного меньше длины волны: с тем же успехом можно пытаться исследовать тонкую текстуру материала рукой в толстой перчатке для сварочных работ.

Ограничения, создаваемые дифракцией, отчасти удалось преодолеть, причем без нарушения законов физики. Поднырнуть под дифракционный барьер оптическим микроскопам помогают два обстоятельства: то, что при флуоресценции кванты излучаются отдельными молекулами красителя (которые могут довольно далеко отстоять друг от друга), и то, что за счет наложения световых волн можно получить яркое пятно с диаметром, меньшим, чем длина волны.

При наложении друг на друга световые волны способны взаимно друг друга погасить, поэтому параметры освещения образца так, чтобы в яркую область попадал по возможности меньший участок. В сочетании с математическими алгоритмами, которые позволяют, например, убрать двоение изображения, такое направленное освещение дает резкое повышение качества съемки. Становится возможным, к примеру, исследовать в оптический микроскоп внутриклеточные структуры и даже (комбинируя описанный метод с конфокальной микроскопией) получать их трехмерные изображения.

Электронный микроскоп до электронных приборов

Для того чтобы открыть атомы и молекулы, ученым не пришлось их рассматривать — молекулярная теория не нуждалась в том, чтобы видеть объект. А вот микробиология стала возможна только после изобретения микроскопа. Поэтому первое время микроскопы ассоциировались именно с медициной и биологией: физики и химики, изучавшие существенно меньшие объекты, обходились другими средствами. Когда же и им захотелось посмотреть на микромир, дифракционные ограничения стали серьезной проблемой, тем более что описанные выше методы флуоресцентной микроскопии были еще неизвестны. Да и толку от повышения разрешающей способности с 500 до 100 нанометров немного, если объект, который надо рассмотреть, еще меньше!

Зная о том, что электроны могут себя вести и как волна, и как частица, физики из Германии в 1926 году создали электронную линзу. Идея, лежащая в ее основе, была очень простой и понятной любому школьнику: раз электромагнитное поле отклоняет электроны, то с его помощью можно поменять форму пучка этих частиц, растащив их в разные стороны, или, напротив, уменьшить диаметр пучка. Спустя пять лет, в 1931 году Эрнст Руска и Макс Кнолл построили первый в мире электронный микроскоп. В приборе образец сначала просвечивался пучком электронов, а потом электронная линза расширяла прошедший насквозь пучок перед тем, как тот падал на специальный люминесцентный экран. Первый микроскоп давал увеличение всего в 400 раз, но замена света на электроны открыла дорогу к фотографированию с увеличением в сотни тысяч раз: конструкторам пришлось всего лишь преодолеть несколько препятствий технического характера.

Электронный микроскоп позволил рассмотреть устройство клеток в недосягаемом ранее качестве. Но по этому снимку нельзя понять возраст клеток и наличие в них тех или иных белков, а эта информация очень нужна ученым.

Сейчас электронные микроскопы позволяют фотографировать вирусы крупным планом. Существуют разные модификации приборов, позволяющие не только просвечивать тонкие срезы, но и рассматривать их в «отраженном свете» (в отраженных электронах, конечно). Мы не будем подробно рассказывать про все варианты микроскопов, но заметим, что недавно исследователи — они научились восстанавливать изображение по дифракционной картине.

Потрогать, а не рассмотреть

Еще одна революция произошла за счет дальнейшего отхода от принципа «осветить и посмотреть». Атомный силовой микроскоп, равно как и сканирующий туннельный микроскоп, уже ничем на поверхность образцов не светит. Вместо этого по поверхности перемещается особо тонкая игла, которая буквально подпрыгивает даже на неровностях размером с отдельный атом.

Не вдаваясь в детали всех подобных методов, заметим главное: иглу туннельного микроскопа можно не только перемещать вдоль поверхности, но и использовать для перестановки атомов с места на место. Именно таким образом ученые создают надписи, рисунки и даже мультфильмы, в которых нарисованный мальчик играет с атомом. Настоящим атомом ксенона, перетаскиваемым иглой сканирующего туннельного микроскопа.

Туннельным микроскоп называют потому, что он использует эффект протекающего через иглу туннельного тока: электроны проходят через зазор между иглой и поверхностью за счет предсказанного квантовой механикой туннельного эффекта. Для работы такого прибора нужен вакуум.

Намного менее требователен к окружающим условиям атомный силовой микроскоп (АСМ) — он может (с рядом ограничений) работать без откачки воздуха. В определенном смысле АСМ является нанотехнологичным наследником патефона. Игла, закрепленная на тонком и гибком кронштейне-кантилевере (cantilever
и есть «кронштейн»), движется вдоль поверхности без подачи на нее напряжения и следует рельефу образца так же, как игла патефона следует вдоль бороздок грампластинки. Изгиб кантилевера заставляет отклоняться закрепленное на нем зеркало, зеркало отклоняет лазерный луч, и это позволяет очень точно определять форму исследуемого образца. Главное только иметь достаточно точную систему перемещения иглы, а также запас игл, которые должны быть идеально острыми. Радиус закругления у кончиков таких игл может не превышать одного нанометра.

АСМ позволяет видеть отдельные атомы и молекулы, однако, как и туннельный микроскоп, не позволяет заглянуть под поверхность образца. Иными словами, ученым приходится выбирать между возможностью видеть атомы и возможностью изучать весь объект целиком. Впрочем, и для оптических микроскопов внутренности изучаемых образцов не всегда доступны, ведь минералы или металлы обычно свет пропускают плохо. Кроме того, с фотографированием атомов все равно возникают сложности — эти объекты предстают простыми шариками, форма электронных облаков на таких снимках не видна.

Синхротронное излучение, возникающее при торможении разогнанных ускорителями заряженных частиц, позволяет изучать окаменевшие останки доисторических животных. Вращая образец под рентгеновскими лучами, мы можем получать трехмерные томограммы — именно так был найден, например, мозг внутри черепа рыб, вымерших 300 миллионов лет назад. Можно обойтись и без вращения, если регистрацию прошедшего излучения фиксацией рассеянных за счет дифракции рентгеновских лучей.

И это еще не все возможности, которые открывает рентгеновское излучение. При облучении им многие материалы флуоресцируют, причем по характеру флуоресценции можно определить химический состав вещества: таким способом ученые окраску древних артефактов, стертые в Средние века труды Архимеда или окраску перьев давно вымерших птиц.

Позируют атомы

На фоне всех тех возможностей, которые предоставляют рентгеновские или оптико-флуоресцентные методы, новый способ фотографирования отдельных атомов уже кажется не таким уж большим прорывом в науке. Суть метода, который позволил получить представленные на этой неделе изображения, такова: с ионизированных атомов срывают электроны и направляют их на специальный детектор. Каждый акт ионизации срывает электрон с определенного положения и дает одну точку на «фотографии». Накопив несколько тысяч таких точек, ученые сформировали картинку, отображающую наиболее вероятные места обнаружения электрона вокруг ядра атома, а это по определению и есть электронное облако.

В заключение скажем, что возможность видеть отдельные атомы с их электронными облаками — это скорее вишенка на торте современной микроскопии. Ученым было важно исследовать структуру материалов, изучать клетки и кристаллы, а обусловленное этим развитие технологий дало возможность дойти до атома водорода. Все, что меньше, — уже сфера интересов специалистов по физике элементарных частиц. А биологам, материаловедам и геологам еще есть куда совершенствовать микроскопы даже с довольно скромным на фоне атомов увеличением. Специалистам по нейрофизиологии, к примеру, давно хочется иметь прибор, способный видеть отдельные клетки внутри живого мозга, а создатели марсоходов продали бы душу за электронный микроскоп, который влезал бы на борт космического аппарата и мог бы работать на Марсе.

Однако сфотографировать сам атом, а не какую-либо его часть представлялось крайне трудной задачей даже при использовании самых высокотехнологичных устройств.

Дело в том, что согласно законам квантовой механики , невозможно одинаково точно определить все свойства субатомной частицы. Этот раздел теоретической физики построен по принципу неопределённости Гейзенберга , который гласит, что невозможно одинаково точно измерить координаты и импульс частицы — точные измерения одного свойства непременно изменят данные о другом.

Поэтому, вместо того чтобы определять местонахождение (координаты частицы), квантовая теория предлагает измерить так называемую волновую функцию .

Волновая функция работает почти так же, как и звуковая волна. Различие лишь в том, что математическое описание звуковой волны определяет движение молекул в воздухе в определённом месте, а волновая функция описывает вероятность появления частицы в том или ином месте по уравнению Шрёдингера .

Измерить волновую функцию также непросто (прямые наблюдения приводят к её коллапсу), но физики-теоретики могут примерно предсказать её значения.

Экспериментально измерить все параметры волновой функции можно только в том случае, если собрать её из отдельных разрушающих измерений, проведённых на полностью идентичных системах атомов или молекул.

Физики из голландского исследовательского института AMOLF представили новый метод, не требующий никаких «перестроек», и опубликовали результаты своей работы в журнале Physical Review Letters. Их методика построена на гипотезе 1981 года трёх советских физиков-теоретиков, а также на более поздних исследованиях.

В ходе эксперимента команда учёных направила два лазерных луча на атомы водорода, помещённые в специальную камеру. В результате такого воздействия электроны покинули свои орбиты с той скоростью и в том направлении, которые определялись их волновыми функциями. Сильное электрическое поле в камере, где находились атомы водорода, направило электроны на определённые части планарного (плоского) детектора.

Положение электронов, попадающих на детектор, определялось их начальной скоростью, а не позицией в камере. Таким образом, распределение электронов на детекторе рассказало учёным о волновой функции этих частиц, которая была у них, когда они покинули орбиту у ядра атома водорода.

Движения электронов отображались на фосфоресцентном экране в виде тёмных и светлых колец, которые учёные сфотографировали цифровой камерой с высоким разрешением.

«Мы очень довольны нашими результатами. Квантовая механика так мало имеет дело с повседневной жизнью людей, что вряд ли кто-то мог подумать о получении реального фотоснимка квантовых взаимодействий в атоме», — говорит ведущий автор исследования Анета Стодолна (Aneta Stodolna). Также она утверждает, что разработанная методика может иметь и практическое применение, к примеру, для создания проводников толщиной в атом, развития технологии молекулярных проводов, что значительно усовершенствует современные электронные приборы.

«Примечательно, что эксперимент был проведён именно на водороде — одновременно простейшем и самом распространённом веществе в нашей Вселенной. Нужно будет понять, можно ли применить эту методику для более сложных атомов. Если да, то это большой прорыв, который позволит развить не только электронику, но и нанотехнологии», — говорит Джеф Ландин (Jeff Lundeen) из университета Оттавы, который не принимал участия в исследовании.

Впрочем, сами учёные, проводившие эксперимент, не задумываются о практической стороне вопроса. Они считают, что их открытие в первую очередь относится к фундаментальной науке, которая поможет передать больше знаний будущим поколениям физиков.

Атом (от греч. «неделимый») — некогда мельчайшая частица вещества микроскопических размеров, наименьшая часть химического элемента, которая носит его свойства. Составляющие атома — протоны, нейтроны, электроны — этих свойств уже не имеют и образуют их в совокупности. Ковалентные атомы образуют молекулы. Ученые изучают особенности атома, и хотя они уже довольно неплохо изучены, не упускают возможности найти что-то новое — в частности, в области создания новых материалов и новых атомов (продолжающих таблицу Менделеева). 99,9% массы атома приходится на ядро.

Не пугайтесь заголовка. Чёрная дыра, случайно созданная сотрудниками Национальной ускорительной лаборатории SLAC, получилась размером всего лишь с один атом, так что нам ничто не угрожает. Да и название «чёрная дыра» лишь отдалённо описывает наблюдаемый исследователями феномен. Мы неоднократно рассказывали вам о самом мощном в мире рентгеновском лазере, носящем название

Физикам из США удалось запечатлеть на фото отдельные атомы с рекордным разрешением, передает Day.Az со ссылкой на Vesti.ru

Ученым из Корнеллского университета в США удалось запечатлеть на фото отдельные атомы с рекордным разрешением — меньше половины ангстрема (0,39 Å). Предыдущие фотографии обладали вдвое низким разрешением — 0,98 Å.

Мощные электронные микроскопы, способные увидеть атомы, существуют уже полвека, однако их разрешающая способность ограничена длинной волны видимого света, которая больше диаметра атома средней величины.

Поэтому ученые используют некий аналог линз, фокусирующих и увеличивающих изображение в электронных микроскопах — им выступает магнитное поле. Однако колебания магнитного поля искажают полученный результат. Чтобы убрать искажения, используют дополнительные устройства, которые корректируют магнитное поле, но вместе с тем увеличивают сложность конструкции электронного микроскопа.

Ранее физики из Корнеллского университета разработали устройство Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD), заменяющее сложную систему генераторов, фокусирующих входящие электроны одной небольшой матрицей с разрешением 128х128 пикселей, чувствительных к отдельным электронам. Каждый пиксель регистрирует угол отражения электрона; зная его, ученые при помощи техники птайкографии реконструируют характеристики электронов, включая координаты точки, откуда он был выпущен.

Атомы в самом большом разрешении

David A. Muller et al. Nature, 2018.

Летом 2018 года физики решили улучшить качество получаемых снимков до рекордного до сегодняшнего дня разрешения. Ученые закрепили на подвижной балке лист 2D материала — сульфида молибдена MoS2, и выпустили пучки электронов, поворачивая балку под разными углами к источнику электронов. С помощью EMPAD и птайкографии ученые определили расстояния между отдельными атомами молибдена и получили изображение с рекордным разрешением — 0,39 Å.

«Практически мы создали самую маленькую в мире линейку», — объясняет Сол Грюнер (Sol Gruner), один из авторов эксперимента. На полученном снимке удалось разглядеть атомы серы с рекордным разрешением 0,39 Å. Причем удалось даже разглядеть место, где одного такого атома не хватает (указано стрелочкой).

Атомы серы в рекордном разрешении

Ученым удалось увидеть вибрацию атомов с помощью мощного электронного микроскопа

В 2018 году исследователи из Корнельского университета построили мощный детектор, который в сочетании с управляемым алгоритмом процессом – птихографией (ptychography) – установил мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Но каким бы успешным ни был этот подход, у него был один недостаток – он работал только с ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов (все, что было больше, заставило бы электроны рассеиваться таким образом, что их невозможно было бы распутать). Теперь та же команда исследователей установила новый рекорд с помощью нового мощного детектора пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD), который включает в себя еще более сложные алгоритмы 3D-реконструкции. Авторы научной работы отмечают, что разрешение настолько тонко настроено, что единственное размытие, которое остается – это тепловое колебание самих атомов. Звучит сложно, не так ли? Предлагаем не бояться сложных терминов и пробуем разобраться, как новая форма электронной птихографии позволит ученым обнаруживать отдельные атомы в трех измерениях, а также к чему может привести их открытие.

Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.

Как увидеть невидимое?

Современная наука гласит, что атомы являются строительными блоками всего существующего. Но вряд ли такое объяснение устроит всех, ведь если атомы существуют, значит их можно увидеть. Но как? На первый взгляд может показаться, что существует простой способ доказать существование атомов: достаточно поместить их под микроскоп. Но такой подход не сработает. На самом деле, даже самые мощные микроскопы не могут визуализировать отдельные атомы.

Напомним, что увидеть тот или иной объект можно благодаря тому, как он отклоняет видимые световые волны. А вот атомы остаются для нас невидимыми, при этом они оказывают заметное влияние на некоторые вещи. Так, сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхуз изучал странное явление, в котором он не мог до конца разобраться: мельчайшие частицы угольной пыли метались по поверхности спирта в его лаборатории.

Это интересно: Почему ученые озабочены проблемой атома?

Примерно 50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Браун описал нечто похожее, когда направил микроскоп на пыльцевые зерна. Браун заметил, что некоторые зерна выделяют крошечные частицы, которые затем удаляются от пыльцевого зерна в случайном дрожащем танце. Сначала ученый задался вопросом, действительно ли эти частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими веществами, такими как каменная пыль, которая, как он знал, не была живой и снова увидел то же самое странное движение.

Специфический тип движения, который обнаружил Роберт Браун сегодня называется в его честь – броуновское движение. Термин подразумевает беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твердого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.

Поиски объяснения продолжались до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не предположил, что частицы пыльцевых зерен перемещались, потому что постоянно сталкивались с миллионами мельчайших молекул воды – молекул, состоящих из атомов. К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, подтвердили реальность атомов. А еще через десять лет, разделяя отдельные атомы, физики начали понимать внутреннюю структуру этих мельчайших частиц.

Электронные микроскопы

Сегодня увидеть изображения отдельных атомов можно с помощью мощных электронных микроскопов, которые генерируют электронные лучи. Это возможно потому, что электронный луч может иметь длину волны в тысячи раз короче светового луча – настолько короткую, что электронные волны могут быть отклонены крошечными атомами для создания изображения, а вот световые лучи сделать этого не могут.

Как отмечает в своей статье для BBC научный журналист Крис Бараньюк, такие изображения полезны для людей, которые хотят изучить атомную структуру специальных веществ – например, тех, которые используются для изготовления батарей для электромобилей.

Птихография (ptychography) – сканирующая техника получения изображений объектов, размеры которых значительно превышают поперечные размеры фокального пятна (электронов, рентгеновского излучения)

Как пишет Nature, ученые из Калифорнийского университета нашли способ создания потрясающе детальной 3D-реконструкции наночастиц платины в атомном масштабе.

Что же до исследования ученых из Корнельского университета, то с помощью новейшей формы электронной птихографии им удалось обнаружить отдельные атомы во всех трех измерениях. Такой способ, как объясняют авторы научной работы, может быть особенно полезен для визуализации полупроводников, катализаторов и квантовых материалов, в том числе используемых в квантовых вычислениях. Примечательно, что новый метод визуализации также можно применять к биологическим клеткам, тканям и даже к синапсным соединениям в мозге. Но как он работает?

Смена парадигмы

Итак, команда инженеров Корнельского университета разработала новый метод электронной микроскопии, мощность которого позволяет им с легкостью установить местонахождение атомов. Метод, который, согласно исследованию, опубликованному в журнале Science, опирается на электронный микроскоп в сочетании со сложными алгоритмами 3D-реконструкции установил новый рекорд в видении атомов.

Все, что мы видим вокруг себя, состоит из этих крошечных частиц.

Отмечу, что прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям. Но теперь ученые действительно могут наблюдать, как атомы дрожат и вибрируют — размытость движения на новых изображениях свидетельствует о точности полученных данных, а не о технической неисправности. В официальном пресс-релизе исследования авторы отмечают, что «вибрация» и «движение» атомов происходит при конечной температуре.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram, чтобы не пропустить ничего интересного!

Хотя новый метод требует много времени и вычислительных затрат, его можно было бы сделать более эффективным с помощью более мощных компьютеров в сочетании с машинным обучением и более быстрыми детекторами. «Мы хотим применить это ко всему, что делаем», – пишут авторы исследования. Ну а мы с вами будем ждать результатов , параллельно желая физикам удачи.

АтомыНаука физикаНаучные исследования

Для отправки комментария вы должны или

Как «пощупать» атомы?

Большинство современных технологий в фармакологии, биомедицине, материаловедении и многих других областях требуют исследования объектов на наноуровне. В настоящее время электронные микроскопы достигают пределов своих возможностей, и на смену им приходят сканирующие зондовые микроскопы или СЗМ. Участник кластера ядерных технологий Фонда «Сколково», ООО «НТ-МТД», занимающий второе место в мире на рынке СЗМ, успешно интегрирует атомно-силовой микроскоп с другими методами исследования, обеспечивая условия для изучения биологических объектов, близкие к условиям живого организма.

Игла кантилевера атомно-силового микроскопа — Wikimedia Commons.

Людям всегда хотелось увидеть что-то недоступное глазу. Для этого они придумали оптические устройства – увеличительные стекла и микроскопы. Общий принцип их действия в том, что на интересующий нас объект падают лучи света, отражаются от него, проходят через увеличивающую линзу и попадают в глаз наблюдателя.

Казалось бы, создавая всё более сильные линзы, люди должны суметь увидеть всё более маленькие объекты: клетки в живых организмах, клеточные органы, крупные молекулы, отдельные атомы… Но, увы, уже примерно на уровне отдельных органов клетки оптическая микроскопия упирается в свой предел. Оказывается, что минимальный размер пятна, который можно получить, фокусируя излучение, ограничен из-за явления дифракции и равен половине длины волны этого излучения (так называемый дифракционный предел). Длина волны видимого света составляет от 380 до 740 нанометров, следовательно, объект размером, например, 200 нанометров мы разглядим уже с трудом.

На помощь пришли электронные микроскопы. На самом деле они не столь сильно отличаются от оптических, но в них на образец падает не поток фотонов, а поток электронов. Длина волны у электронов куда меньше, что позволяет исследовать более маленькие объекты. Пучок электронов фокусируется так называемыми магнитными линзами и направляется на образец. Часть электронов от него отражается, часть проходит сквозь него. Значит поток электронов «на выходе» несет информацию о структуре образца. Этот поток попадает на детекторы и благодаря этому можно построить изображение. Тут, кстати, следует отметить, что цвета, которые мы видим на образцах электронной микроскопии – результат обработки данных. В действительности микроскоп получает только информацию о потоке электронов. Итак, электронные микроскопы сильно расширили наши познания о мире, но и они, в конце концов, достигают предела своих возможностей.

Наконец, следующий шаг – сканирующие зондовые микроскопы. Надо сразу сказать, что в основу их действия положен совершенно иной принцип по сравнению с оптическими и электронными микроскопами. Никакой оптики, никаких волн. Объединяют их только слово «микроскоп» в названии и предназначение – исследование объектов сверхмалого масштаба. При этом сканирующие зондовые микроскопы позволяют нам увидеть даже отдельные атомы. Впрочем, правильнее будет сказать не «увидеть», а «нащупать». Этот глагол лучше описывает принцип работы зондового микроскопа.

«Сканирующие зондовые микроскопы бывают двух типов: сканирующие туннельные микроскопы (СТМ), использующие эффект туннельного тока между острием микроскопа и образцом (этот тип может быть использован только для проводящих образцов) и сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), который может применяться для любых образцов», — уточняет заместитель директора ООО «НТ-МДТ» Владимир Редченко.

АСМ использует силы, возникающие при взаимодействии между атомами (отсюда название типа зондовых микроскопов – атомно-силовые микроскопы, atomic-force microscope). Мы знаем со школы, что атомы и молекулы в целом электрически нейтральны. Ядро, несущее положительный заряд, окружают отрицательно заряженные электроны, в результате заряды нейтрализуют друг друга. Однако довольно давно ученые выяснили, что дело обстоит несколько сложнее. Так как электрический заряд не распределен в электронной оболочке атома или молекулы равномерно, возникает поляризация, когда у атома можно выделить положительный и отрицательный полюс. Еще более сильная поляризация может возникнуть под действием на атом внешнего электрического поля. Естественно, одинаково заряженные полюса разных атомов отталкиваются друг от друга, а заряженные по-разному – притягиваются. Эти силы притяжения и отталкивания получили название Ван-дер-Ваальсовых сил, в честь нидерландского физика, открывшего это явление еще во второй половине XIX века.

Конечно же, межатомные взаимодействия проявляются только на очень небольших расстояниях. Физики приложили немало усилий для изучения этих взаимодействий и смогли установить свойственные им закономерности. Когда две частицы находятся друг от друга на расстоянии, достаточном для возникновения этого взаимодействия, начинается воздействие электрического поля одной частицы на другую. Из-за отталкивания одноименных зарядов частицы поляризуются так, что окажутся обращены друг к другу разными электрическими полюсами. Поэтому между частицами возникает притяжение.

Межмолекулярные взаимодействия.

А что будет, если частицы сблизятся еще сильнее? В какой-то момент их электронные оболочки пересекутся и, как и положено одноименным электрическим зарядам, начнут отталкиваться. При этом, чем меньше расстояние между частицами, тем сильнее будет сила этого отталкивания.

Силу притяжения и отталкивания между частицами отражает график. По оси X в нем обозначено расстояние между молекулами. По оси Y – так называемая потенциальная энергия взаимодействия. Представьте, что вы удерживаете руками на очень скользком столе два магнита. Если они повернуты друг к другу одинаковыми полюсами, они будут отталкиваться, если разными – притягиваться. Та сила, которую вы должны приложить, чтобы магниты остались на месте – это и есть аналог потенциальной энергии взаимодействия между частицами. На малых расстояниях эта энергия положительна – частицы отталкиваются, когда расстояние увеличивается, наступает момент, когда они начинают притягиваться (там, где график ныряет под ось Х). Но если расстояние становится всё больше и больше, то сила притяжения постепенно убывает.

Вот и весь теоретический фундамент атомно-силовых микроскопов. Придумали, как использовать эти явления, Герд Бинниг (Gerd Karl Binnig), Кельвин Куайт (Calvin Quate) и Кристоф Гербер (Christoph Gerber) в 1986 году. В созданном ими микроскопе зонд (игла) перемещается над исследуемой поверхностью. На сверхмалых расстояниях между зондом и атомами исследуемого объекта возникают силы притяжения или отталкивания, природу которых мы обсудили.

Устройство, на котором закреплен зонд, называется кантилевер (cantilever). Его можно сравнить с доской, на которой стоит прыгун в воду. Только, конечно же, кантилевер значительно меньше. Доска на прыжковом трамплине, закрепленная с одного конца, может прогибаться (это использует прыгун, чтобы получить дополнительную энергию для прыжка). Кантилевер изгибается под влиянием сил, действующих на зонд. Если измерить степень изгиба кантилевера, можно определить силу взаимодействия зонда с поверхностью, а значит и рельеф поверхности. Для регистрации этого изгиба есть разные методы. Например, используют лазерный луч, отражающийся от кантилевера и направленный на фотоэлемент. Когда кантилевер изгибается, точка попадания луча на фотоэлемент смещается, и это смещение можно отследить. Затем при помощи компьютерной обработки полученных данных строится модель поверхности, над которой проходил зонд.  

Устройство атомно-силового микроскопа.

Получается, что атомно-силовой микроскоп не занимается фиксацией какого-либо излучения, отраженного от образца. Его зонд как бы ощупывает образец, подобно тому, как слепой человек своей тростью ощупывает неровности почвы. Только в данном случае «трость» обнаруживает неровности величиной в доли нанометра. Другой аналог – это игла звукоснимателя, использовавшаяся еще не так давно для воспроизведения музыки с виниловых пластинок. Но и в этом случае неровности звуковой дорожки, которые «чувствует» игла, значительно крупнее тех, для которых предназначен зондовый микроскоп.  

Важнейшие части атомно-силового микроскопа – кантилевер и зонд. Кантилевер делается из кремния или же оксида или нитрида кремния. Его толщина составляет от 0,1 до 5 мкм, ширина – от 10 до 40 мкм, а длина – от 100 до 200 мкм. Расстояние между зондом и поверхностью исследуемого образца в зондовых микроскопах составляет обычно от 0,1 до 10 нм. Чтобы улучшить отражательные свойства кантилевера, на его верхнюю поверхность, куда будет направлен лазерный луч, наносят тонкий слой золота или алюминия. Для высокоточных перемещений кантилевера и зонда используются шаговые электродвигатели.

Чтобы такой микроскоп работал без искажений, его необходимо оберегать от внешних воздействий. Особую заботу конструкторов составляет защита от вибраций (причем источником значительной вибрации в данном случае может быть даже обычные звуковые волны). Другой вид помех – деформации частей микроскопа из-за повышения температуры во время его работы. 

Рельеф поверхности стекла, полученный атомно-силовым микроскопом.

Создателям атомно-силовых микроскопов приходится решать много проблем, но основная их забота, главное действующее лицо микроскопа – зонд. Это игла с радиусом закругления всего несколько нанометров. Делаются зонты из кристалла кремния или же нитрида кремния. Иногда на зонд наносят сверхтонкие покрытия из золота, платины, хрома, вольфрама, молибдена, титана и других материалов.

Увы, зонды представляют собой расходный материал. Их свойства ухудшаются в процессе работы, поэтому зонд необходимо регулярно заменять. Также крайне важно качество этого ключевого элемента атомно-силового микроскопа, ведь от него зависит точность получаемых изображений.

Среди участников кластера ядерных технологий Фонда «Сколково» разработками в области атомно-силовой микроскопии заняты две компании: НТ-МДТ и «ТопСкан».

Группа компаний НТ-МДТ работает в этой области уже давно. Первая из группы этих компаний — ЗАО «НТ-МДТ» — была создана в 1990 году в Зеленограде. За время своего существования Группа компаний поставила отечественным и зарубежным заказчикам более 4000 приборов. Сейчас это лидер отрасли в России (и занимает второе место в мире на рынке сканирующих зондовых микроскопов). Среди особенно интересных разработок НТ-МДТ есть системы, где атомно-силовой микроскоп интегрирован с другими методами исследования. Например, в системе «ИНТЕГРА Спектра» объединены атомно-силовой микроскоп, оптический конфокальный микроскоп и устройство для Рамановской спектроскопии (Рамановский спектрометр = спектрометр комбинационного рассеивания).

Новая модель для биоисследований, прибор «LIFE» объединяет зондовый микроскоп с оптическим дальнепольным микроскопом, это устройство предназначено для исследования объектов молекулярной и клеточной биологии в условиях, близких к условиям живого организма. Среди созданных НТ-МДТ микроскопов есть и НАНОЭДЮКАТОР – атомно-силовой микроскоп, предназначенный для обучения лабораторных работников.

«В нашей заявке в Сколково представлены четыре направления: создание зондового микроскопа для считывания результатов с биочипов, разработка приборов для нанолокальных измерений ИК-спектров, что также делается с помощью зондовой микроскопии, разработка программно-аппаратного обеспечения скоростных методов сканирующей зондовой микроскопии и разработка скоростных широкоформатных измерительных головок для атомной силовой микроскопии.

Кантилевер и зонд атомно-силового микроскопа.

Все эти разработки будут вестись в рамках фирмы ООО «НТ-МДТ», организованной для участия в проекте Сколково. Команды сформированы, они работают. Если мы получим какие-то гранты в Сколково (сейчас мы готовим заявки на гранты и соглашение о партнерстве), переедем туда, то мы там и развернемся», — рассказал Владимир Редченко.

Вице-президент, Исполнительный директор Кластера ядерных технологий Фонда «Сколково» Игорь Караваев прокомментировал сотрудничество с НТ-МДТ и поделился перспективными разработками в области микроскопии:

«Помимо того, что НТ-МДТ представлена в Кластере двумя проектными компаниями, развивающими различные направления применения компетенций по микроскопии, компания также рассматривает и другие варианты партнерства со «Сколково», вплоть до формирования отдельного R&D филиала на территории Инновационного центра.

Игорь Караваев.

Тематика аналитического оборудования и, в частности, оборудования для микроскопии представлена в Кластере ядерных технологий «Сколково» и другими проектами. Например, компания «СНОТРА» разработала криотомограф для изучения замороженного биологического материала, в основе которого опять же сканирующий зондовый микроскоп. А компания «Медицинские нанотехнологии» разработала и предлагает к использованию другой тип микроскопа — сканирующий ион-проводящий и конфокальный. Этот микроскоп является идеальным инструментом исследователя, работающего с нейронами головного мозга и позволяет изучать реакции нейронов на новые лекарства».

«ТопСкан» – компания более молодая. Она была создана на базе Института кристаллографии РАН, ее деятельность сосредоточена на разработке ключевого элемента атомно-силовых микроскопов – зондов. Год назад проект компании «ТопСкан» – «Зонды нового поколения» – получил одобрение Грантового комитета Фонда «Сколково».

Перспективы развития атомно-силовой микроскопии велики. Она позволяет исследовать материалы на наноуровне, что необходимо для многих современных технологий. Зонд атомно-силового микроскопа может «ощупать» молекулы важных биологических веществ: ДНК, аминокислот, белков и так далее – это окажется полезным для современной фармакологии и других биомедицинских разработок. Изучение процессов коррозии, исследование вирусов, создание полупроводниковых устройств, микросхем – для всего этого может послужить атомно-силовой микроскоп.

Источник: polit.ru

Атомы кислорода, видимые непосредственно в электронный микроскоп

Проницательные взгляды на керамику и сверхпроводники

[7. Februar 2003]

Ученые Исследовательского центра Юлиха сделали отдельные атомы кислорода непосредственно видимыми с помощью электронного микроскопа в определенном классе материалов, перовскитах. Их рецепт успеха: они разработали метод исправления неизбежных аберраций в микроскопе. В коммерческих приборах эти аберрации неизбежно приводят к размытым изображениям, на которых невозможно распознать отдельные атомы кислорода. Выводы юлихских ученых были опубликованы в последнем номере престижного журнала «Science» (Science, 7 февраля 2003 г.).

Керамические материалы на основе оксидов со структурой перовскита, в том числе титанаты бария и стронция, играют большую роль в современной электронике. Их применение уже широко распространено, например, в качестве чипов в телефонных картах или платежных картах. Перовскиты также являются базовым материалом для высокотемпературных сверхпроводников и будут все более востребованы в будущей микроэлектронике, где они будут использоваться в ультратонких пленках, состоящих всего из нескольких десятков или нескольких сотен атомных слоев. Одной из наиболее важных проблем на пути к этой цели является правильная регулировка содержания кислорода в этих оксидах, которое затем необходимо поддерживать на протяжении большого количества технологических стадий изготовления устройств. «Содержание кислорода критически определяет электрические свойства оксидов перовскита», — объясняет проблему профессор Кнут Урбан из Юлихского института исследований твердого тела. «Поскольку даже отсутствие нескольких атомов кислорода в электрически активных зонах тонких пленок серьезно ухудшит их функционирование, они должны быть изготовлены почти с атомарной точностью».

Просвечивающая электронная микроскопия в принципе может быть использована для проверки того, действительно ли достигнута такая атомарная точность. Поэтому исследователи пытались сделать атомы кислорода непосредственно видимыми в микроскоп с конца восьмидесятых годов, но пока безуспешно. Основной принцип электронной микроскопии довольно прост: электронный луч проникает в тонкий образец. Исходящие электроны направляются системой электромагнитных линз, которая объединяет их в сильно увеличенное изображение. Однако по разным причинам получаются искаженные изображения, в которых невозможно распознать отдельные атомы кислорода.

Группа под руководством Кнута Урбана добилась прорыва. Ученые работают с единственным в мире так называемым просвечивающим электронным микроскопом с коррекцией аберраций. Проблема «сферической аберрации» возникает как в оптических, так и в электронных микроскопах. Световые или электронные лучи, проходящие через линзы микроскопа близко к краю, слишком сильно отклоняются — изображение размывается. Однако с помощью магнитных линз особой формы исследователи могут исправить эту ранее неизбежную аберрацию. Образно говоря, они прописали очки для электронного микроскопа, сфокусировав его зрение. Этот шаг теперь оказался чрезвычайно успешным. Он не только позволяет впервые отображать кислород в атомарном виде, но также позволяет количественно измерять содержание кислорода в атомарных размерах. Профессор Кнут Урбан и его коллеги, специалист по микроскопии д-р Маркус Лентцен и ученый-материаловед д-р Чун Линь Цзя, опубликовали свои новаторские открытия в последнем выпуске журнала «Science».

Ученые Исследовательского центра Юлиха разработали новый метод коррекции в 90-х годах вместе с коллегами из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге и Дармштадтского технологического университета, создав таким образом прототип микроскопов совершенно нового поколения. В течение этого года во всем мире появятся первые коммерческие электронные микроскопы с коррекцией аберраций. Кнут Урбан убежден, что «этот метод заменит классический тип электронной микроскопии высокого разрешения во многих областях материаловедения».

Титанат стронция (химическая формула SrTiO3) в электронном микроскопе. Структура (а, Sr = стронций, Ti = титан, O = кислород) изображена с помощью «классического» электронного микроскопа (b) и в сравнении с исправленным микроскопом (c) при моделировании. Если раньше можно было различить только тяжелые атомы стронция (б), то теперь видны и более легкие атомы кислорода (в). Ученые также могут идентифицировать кислородные вакансии (d).

Схема: Исследовательский центр Юлих

Серебристый срез в нижней трети электронного микроскопа показывает прототип с исправленной оптикой. Тел. ++ 49 2461 61-4771, факс ++49 2461 61-4666
Эл. +49 461 61-4661, факс +492461 61-4666
Электронная почта: m.hexamer@fz-juelich. de

Последнее изменение: 22.05.2022

Открытие атомов и приборов, используемых для их наблюдения

ПОДЕЛИТЬСЯ:

FacebookTwitter

Знайте, как ученые открыли атомы и инструменты, которые помогают им наблюдать за этими маленькими частицами

Узнайте об открытии атомов и инструментах, которые ученые используют для наблюдения за ними…

© Американское химическое общество (партнер-издатель Britannica)

Трудно представить, насколько крошечными являются атомы. Один лист бумаги имеет толщину примерно в полмиллиона атомов. По объему один атом так же мал по сравнению с яблоком, как это яблоко по сравнению со всей землей. Поэтому вы можете быть удивлены, узнав, что химики действительно могут видеть атомы не глазами, а с помощью невероятно точных инструментов.

Идея атомов восходит к Древней Греции, когда философ Демокрит заявил, что вся материя состоит из мельчайших частиц. Философ Платон даже ошибочно решил, что разные вещества имеют атомы разной формы, например, пирамиды или кубы. Первые современные доказательства существования атомов появились в начале 1800-х годов, когда британский химик Джон Дальтон обнаружил, что химические вещества всегда содержат целые числовые соотношения атомов. Вот почему это h3O, а не h30,4O или H квадратный корень из 17O.

Причиной этих целых чисел, как предположил Дальтон, было то, что у вас не может быть половины атома или 0,2 атома, только целые атомы. На самом деле трудно представить себе химию сегодня без понимания Дальтона, но в свое время она вызывала споры. Почему? Потому что химики не могли видеть атомы. Многие считали их отрицательными числами — полезными для вычислений, но не существующими в реальном мире. Даже Дмитрий Менделеев, отец периодической таблицы, много лет отказывался верить в атомы.

Так почему же химики просто не искали атомы под микроскопом? Чтобы увидеть что-то под микроскопом, длина волны света, проходящего через микроскоп, не может быть больше, чем то, на что вы смотрите. К сожалению, видимый свет в тысячи раз больше атомов. Так что химикам пришлось ждать света с короткими длинами волн, вроде рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи были открыты в 1890-х годах немецким ученым Вильгельмом Рентгеном, который понял, что фотографии, сделанные с помощью рентгеновских лучей, позволяют ему видеть сквозь предметы. Рентген подумал, что сошел с ума, когда увидел это. Но сегодня мы все знакомы с рентгеном по походам к стоматологу и врачу.

Однако химики не используют рентгеновские лучи, чтобы видеть сквозь вещи. Вместо этого они отражают рентгеновские лучи от таких вещей, как кристаллы, которые представляют собой твердые тела со слоями атомов. Когда рентгеновские лучи попадают на атом в кристалле, они отскакивают назад. Другие проскальзывают и отскакивают от второго слоя вниз, от третьего слоя или еще глубже. После отражения эти рентгеновские лучи попадают на экран детектора, как мячик, отскакивающий назад в игре Pong. И, основываясь на том, где они ударяются о стену, ученые могут работать в обратном направлении и выяснять трехмерное расположение атомов в кристалле. Это отражение и взаимодействие световых лучей называется дифракцией.

Дифракция рентгеновских лучей, иногда называемая рентгеновской кристаллографией, позволила химикам с 1920-х годов получить десятки Нобелевских премий. Это также привело к одному из величайших открытий в истории науки — структуре ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик сегодня получают признание. Но они основывали свою работу на работах Розалинды Франклин, кристаллографа из Англии.

Она начала делать рентгеновские снимки ДНК в 1952 году. Взгляд Уотсон на одну фотографию, фотографию 51, стал важным ключом к пониманию того, что ДНК представляет собой двойную спираль. Этот инцидент на самом деле остается спорным сегодня, потому что Франклин никогда не давал Уотсону разрешения просмотреть фотографию 51.

Если рентгеновские лучи позволили химикам заглянуть в структуру атомов, то сканирующие туннельные микроскопы, наконец, открыли сами атомы. Вместо того, чтобы отражать свет от чего-либо, СТМ проводит по поверхности острой иглой. Это похоже на химический шрифт Брайля, за исключением того, что кончик никогда не соприкасается. По мере того, как игла движется по поверхности, ученые могут реконструировать атомный ландшафт, сделав наконец отдельные атомы видимыми в начале 1980-х годов.

И вот, атомы были не кубами и пирамидами Платона, а сферами разных размеров. К 1989, несколько ученых даже адаптировали технологию СТМ для манипулирования атомами ксенона и составления слов. Мы позволим вам угадать, в какой компании они работали. В том же 1989 году химик Ахмед Зевайл вышел за рамки наблюдения за неподвижными атомами и разработал инструменты, позволяющие увидеть атомы в действии.

Зевайл хотел изучить, как атомы разрывают связи и меняются партнерами во время реакций. Поэтому он разработал самую быструю в мире камеру, которая снимает импульсы лазерного света длительностью в несколько фемтосекунд, несколько миллиардных долей микросекунды. Пока лазер Зевейла вспыхивал, как стробоскоп, его камера делала снимки. Затем Зевайл соединил фотографии вместе, как в замедленном повторе. С тех пор фемтохимия позволила получить представление обо всем, от разрушения озонового слоя до работы сетчатки глаза человека. Зевайл получил Нобелевскую премию за работу по химии в 1919 г.99.

Древние греки придумывали причудливые формы атомов, но потребовалось 2400 лет, прежде чем ученые смогли увидеть их в действительности и изучить их поведение. Верить человеку — значит верить, и именно химики и другие ученые удовлетворили эту потребность и, наконец, открыли, из чего состоит наша Вселенная.

Съемка наиболее фундаментальных процессов в химии

Фото/Источники: Университет Ноттингема

С помощью электронного микроскопа удалось запечатлеть два наиболее фундаментальных процесса в химии – химическую связь и образование кристаллов. фильм впервые.

Ранее в этом году группа исследователей из Великобритании, Германии и Японии опубликовала два исследования, которые представили миру свои новаторские кадры. Первый показал разрыв и образование металлической связи, а второй сосредоточился на точном моменте зарождения кристаллов в трех разных металлах. Электронная микроскопия делает возможным прямое наблюдение за этими повседневными химическими явлениями, механизмы которых могут быть более сложными, чем те, которым учат в школе, или даже противоречить им.

«Возможно, какие-то механизмы химических реакций, описанные в учебниках, верны и нам просто нужно их подтвердить, а может быть, они совсем другие», — говорит Андрей Хлобыстов, профессор кафедры наноматериалов и директор Центра нано- и микромасштабных исследований при Ноттингемский университет. «Это очень фундаментальный вопрос, и именно на него электронная микроскопия может помочь нам ответить».

Наноразмерные пробирки

В начале своей карьеры химика-органика Хлобыстов заинтересовался визуализацией и манипулированием отдельными молекулами и атомами. В частности, он был заинтригован идеей использования углеродных нанотрубок в качестве пробирок, чтобы удерживать крошечные образцы на месте во время визуализации. Углеродные нанотрубки представляют собой полые трубки из атомов углерода диаметром примерно в 80 000 раз тоньше одной пряди волос.

Узкие структуры позволили ему тщательно расположить атомы и молекулы для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) — метода визуализации, при котором пучок высокоэнергетических электронов пропускают через образец для исследования его структуры. Хлобыстов увидел потенциал ПЭМ для химии, хотя на тот момент она использовалась в основном для исследований в области физики, материаловедения и инженерии. Химики по большей части до сих пор используют спектроскопию вместо методов визуализации.

«Обычно, если подумать о том, как мы изучаем разрыв связей, мы используем спектроскопию. Есть несколько отличных методов спектроскопии, которые очень быстры и раскрывают этот процесс шаг за шагом, что замечательно», — объясняет он. «Но проблема со спектроскопией заключается в том, что в сигнал вносят вклад многие атомы и молекулы».

ПЭМ в сочетании с углеродными нанотрубками позволяет исследователям увеличивать масштаб действий отдельного атома или молекулы в режиме реального времени с атомарным разрешением.