Содержание
за что дали Нобелевку по химии
При чём тут химия?
Уже не первый год Нобелевскую премию по химии присуждают за биологические открытия. И на этот раз Ричард Хендерсон, Иоахим Франк и Жак Дубоше были номинированы на Нобелевку за «развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворе». Неужели в науке о превращениях веществ за последние десятилетия не случилось ничего прорывного? А если случилось, то почему с химиками обходятся так несправедливо?
На самом деле несправедливости тут нет. Современная наука мультидисциплинарна. Каждый уважающий себя исследователь подходит к интересующей его проблеме с самых разных сторон, используя солидный набор методов для её изучения. Теперь уже недостаточно провести какую-нибудь одну химическую реакцию или вывести линию мух с определённым геном. Статью об исследовании, в котором использованы один-два метода, приличный научный журнал не примет. Необходимо использовать и физические, и химические, и биологические подходы к одному и тому же вопросу.
В конце концов, всё живое состоит из молекул, традиционных объектов изучения химии, а эти молекулы и их группы подчиняются физическим законам.
К тому же наука о жизни давно уже ушла от препарирования лягушек и наблюдения за цветением растений. Многие современные биологи в ходе работы ни разу не сталкиваются с живыми объектами. Огромные силы брошены на фронт биоинформатики — анализа последовательностей нуклеотидов ДНК и аминокислот в белках с использованием компьютерных алгоритмов. Классической биологии в этом, прямо скажем, нет. Для биоинформатических изысканий не нужны ни пробирки, ни микроскопы, ни другие предметы, на фоне которых журналисты и телевизионщики обычно снимают учёных.
Но есть и те, кто стоит к живому чуть ближе. Они работают не с целыми организмами и даже не с конкретными органами, а с отдельными биологическими молекулами. Кстати, эти молекулы не такие уж и мелкие. Как правило, они состоят из сотен тысяч атомов — особенно если говорить о белках и нуклеиновых кислотах.
Способов соединить эти атомы великое множество, а ведь от них зависят форма и поведение молекулы. Ферменты — биологические катализаторы — потому и помогают проводить биохимические реакции, что способны менять форму своих молекул.
Как увидеть отдельную молекулу?
Фото: © REUTERS/Toby Melville
Конечно, молекулы белков и нуклеиновых кислот крупнее, чем какой-нибудь глюкозы. Но всё же они недостаточно большие, чтобы их было видно в обычный, световой микроскоп. Его разрешение ограничено длиной световой волны, падающей на исследуемый объект. Как правило, она составляет не более 250 нанометров. Соответственно, все объекты размером меньше 250 нанометров в световой микроскоп видны не будут.
Обойти эту проблему в 1930-х годах позволили электронные микроскопы. В них на исследуемый объект не светит солнце или лампочка — на него обрушивается поток электронов. В остальном принцип работы электронного микроскопа похож на принцип самого простого светового микроскопа, но длина волны электронов существенно короче длины волны видимого света.
Поэтому теоретическое разрешение электронной микроскопии в теории позволяет различать чуть ли не отдельные атомы.
Есть способы увидеть структуру молекул и без использования электронного микроскопа. Это рентгеноструктурный анализ и спектроскопия ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Но ЯМР-спектроскопия, к сожалению, подходит только для сравнительно небольших белков, а более крупные, в сотни тысяч аминокислот длиной, она «не берёт». Рентгеноструктурный анализ требует, чтобы молекулы находились в форме кристаллов. С этим есть трудности, так как далеко не все белки просто кристаллизовать. Ко всему прочему, когда биомолекулы находятся в кристаллической форме и/или в вакууме, как это часто бывает при электронной микроскопии, их свойства могут заметно отличаться от тех, что проявляются в натуральных условиях. А «натуральные условия» в данном случае — это водный раствор, потому что живые организмы по большей части состоят из воды.
Стекло и пачки фотографий
Фото: © flickr/BASF — We create chemistry
С водой в электронном микроскопе проблемы.
Её не должно там быть, потому что между источником электронов и исследуемым образцом необходимо поддерживать вакуум. Если электроны будут «натыкаться» на препятствия до встречи с образцом, картинка получится зашумлённой. В воздушной атмосфере электроны пролетят всего несколько сантиметров, прежде чем полностью рассеяться.
Один из сегодняшних нобелевских лауреатов, швейцарский биофизик Жак Дубоше, придумал способ обойти эту проблему и при этом сохранить исследуемые молекулы в том виде, в котором они «плавают» в водном растворе цитоплазмы клеток. С помощью жидкого этана и азота он сильно охлаждал воду, окружающую образцы, так быстро, что она приобретала свойства стекла — витрифицировалась. Витрифицированная твёрдая вода по свойствам отличается ото льда. Её молекулы не выстраиваются в характерные для льда кристаллические решётки, а остаются практически на тех же местах, что и в момент начала охлаждения. Благодаря этому растворённые в такой воде молекулы «застывают» с той же структурой, какую они имеют и в живых клетках.
На них точно так же, как и при «обычной» электронной микроскопии, могут налетать электроны, и «тени» от них будут всё так же видны. Фактически Дубоше добавил «крио-» (что значит «заморозка») к электронной микроскопии.
Казалось бы, все проблемы на этом закончились. Мы сохранили белок в первозданном виде, вот мы получили его «отпечаток», чего же ещё? Проблема в том, что крупные молекулы трёхмерны и при этом имеют очень сложную форму, а отдельные изображения проекций содержат очень много шума. Стало быть, по одной-единственной проекции белка его строение не вычислишь даже близко. Нужно много «фотографий» одинаковых молекул, сделанных с разных сторон, чтобы создать двухмерную реконструкцию. Первым задачу реконструкции трёхмерной структуры из двухмерной проекции решил Аарон Клуг ещё в 1962-м на примере симметричного хвоста бактериофага, за что в 1982 году получил Нобелевскую премию по химии.
А новоиспечённый лауреат Иоахим Франк, американский биофизик немецкого происхождения, разработал вычислительные принципы для реконструкции частиц с любой симметрией.
Он создал алгоритмы, позволяющие вычленить изображение исследуемой молекулы из общей картины, и научил компьютер сортировать такие изображения по степени их сходства, чтобы из отдельных шумных проекций создать виды молекулы с разных сторон. Затем Франк и другие его коллеги придумали, как комбинировать эти двухмерные виды, чтобы создавать трёхмерные реконструкции. До недавних пор эта была нетривиальная задача, и её решение зависело от конкретного образца. Сейчас улучшенное ПО и высокие вычислительные мощности позволяют решить эту задачу гораздо проще.
Красивые картинки и не только
Методами, разработанными Дубоше и Франком, воспользовался шотландец Ричард Хендерсон и добавил к ним кое-что своё. Именно он в 1990 году выпустил статью, в которой продемонстрировал структуру пурпурного белка бактериородопсина в достаточно высоком разрешении. Однако не надо думать, что он пришёл на всё готовое. Бактериородопсином Хендерсон занимался уже задолго до развития криоэлектронной микроскопии и первый раз попытался установить строение этого белка в 1975 году.
Тогда это казалось невозможным: молекула «в оригинале» была встроена в мембрану бактериальной клетки, да и кристаллизоваться никак не хотела. Тем не менее кое-какие детали структуры бактериородопсина ему удалось узнать уже тогда.
С тех пор Хендерсон и его коллеги вот уже более 40 лет уточняют структуры отдельных биологических молекул. Во многом благодаря его стараниям в 2013 году начался бум в области криоэлектронной микроскопии: были выпущены новые детекторы и программное обеспечение для реконструкций. Тогда же впервые была получена структура мембранного канала с атомарным разрешением. Говоря проще, в изучаемой молекуле можно было разглядеть каждый атом. После этого начался настоящий бум криоэлектронной микроскопии, и работ с использованием этого метода публикуют всё больше.
The final technical hurdle was overcome in 2013, when a new type of electron detector came into use. pic.twitter.com/Ue9c0R6v7y
— The Nobel Prize (@NobelPrize) 4 октября 2017 г.
В чём прелесть структур биомолекул, полученных таким образом, кроме их красоты и подробности? Как мы уже говорили выше, тонкое строение молекул надо знать, чтобы представлять себе их физические и химические свойства. Это важно в первую очередь для современной фармакологии. Известно, что очень близкие по строению вещества могут оказывать кардинально разное действие на организм из-за какого-нибудь небольшого различия в расположении нескольких атомов в их молекулах. Активность белков сильно разнится в зависимости от их конформации. А ведь сейчас всё большее количество лекарств от рака и прочих тяжёлых заболеваний представляют собой именно белки.
Криоэлектронная микроскопия также позволяет прояснить механизмы действия уже существующих лекарств. Можно сделать раствор препарата и того вещества, на которое он действует, витрифицировать этот раствор и посмотреть, как выглядят молекулы в нём. Скорее всего, лекарство и его мишень сольются в одну молекулу, и важно знать, какими частями они будут соприкасаться и как изменится форма каждого из участников тандема.
Если витрифицировать несколько таких идентичных смесей в разное время, можно отследить этапы взаимодействия одной молекулы с другой.
Метод позволяет изучать не только отдельные молекулы, но и структуры покрупнее — например, вирусы. Учитывая недавние эпидемии лихорадки Эбола и лихорадки Зика, возбудители которых именно вирусы, знать их строение критически важно, чтобы понимать, какими лекарствами с ними бороться. Это верно и для ВИЧ, который хоть и громко заявил о себе на десятилетия раньше, но до сих пор угрожает нам. Так что у специалистов по криоэлектронной микроскопии впереди ещё много работы на благо человечества.
Atomic structures of a) protein complex that governs circadian rhythm b) pressure sensor of the type that allows us to hear c) Zika virus pic.twitter.com/ixAyJesj99
— The Nobel Prize (@NobelPrize) 4 октября 2017 г.
Получены первые изображения атомов водорода и углерода в микроскопе
Электронный микроскоп смог разглядеть отдельные атомы водорода и углерода; прежде можно было увидеть лишь тяжёлые атомы вроде золота.
Секрет метода, который позволит изучать биологические молекулы «живьём», – использование подложки из графена, одноатомного углеродного листа.
Микроскоп является, наверное, самым удобным инструментом, позволяющим разглядеть кирпичики мироздания. Сначала микроскопы представляли собой оптические системы, увеличение в которых достигалось с помощью линз, фокусирующих отраженные от исследуемого образца или прошедшие сквозь него световые лучи.
Затем с развитием техники оптические микроскопы уступили место электронным аналогам, где вместо световых волн используются сфокусированные потоки электронов. Они, подобно квантам света, поглощаются или рассеиваются различными веществами и материалами, но позволяют добиться увеличения куда большего, чем в оптических микроскопах. Связано это с явлением дифракции света, «огибания» электромагнитными волнами препятствий, которое не позволяет разглядеть в оптические устройства объекты меньше примерно 300 нм – этот размер соответствует ультрафиолетовому краю видимого света.
Электроны также представляют собой волны (равно как и частицы), но длина их волны существенно меньше.
В настоящее время существует масса микроскопических методов, позволяющих проводить исследования в нанодиапазоне, – это сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая и так далее.
Наибольшего увеличения и разрешения на сегодняшний день можно добиться с помощью технологии трансмиссивной, или просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) высокого разрешения.
Справка
Когда пучок электронов проходит сквозь образец, он по-разному рассеивается в его объеме. Часть этого пучка рассеивается на ядрах атомов, часть отражается электронными облаками атомов и межатомных связей, часть проходит сквозь толщу…
Она заключается в пропускании сфокусированного электронного пучка сквозь тонкий образец. Этим образцом может быть наноразмерный кристаллит неорганического вещества, углеродные нанотрубки, фуллерены и так далее. С помощью просвечивающего микроскопа и математического аппарата преобразования сигнала можно видеть отдельные атомы, образующие кристаллическую решетку просвечиваемого твердого тела, рассчитывать его параметры и так далее. Казалось бы, о чем еще можно мечтать физикам и химикам? И действительно, ТЭМ до сих остается пределом мечтаний для сотрудников многих отечественных учебно-научных учреждений: цена одного такого аппарата сравнима со стоимостью истребителя.
Тем не менее и такой аппарат не всесилен, увидеть в нем даже при разрешении в доли нанометра можно далеко не каждый атом.
Дело в том, что легкие атомы, такие как углерод, кислород, азот и уж тем более водород, обладающие небольшим количеством электронов, очень слабо рассеивают поток электронов. На фоне сигнала проводящей подложки, на которой лежит образец, и шума детектора сигнал этих атомов становится совершенно незаметным. Поэтому вплоть до последнего времени просвечивающая электронная микроскопия применялась в подавляющем большинстве случаев для исследования строения неорганических материалов, состоящих из тяжелых и богатых электронами атомов. Между тем азот, водород, кислород и углерод – это биогенные элементы, входящие в состав всех органических соединений, а потому представляют едва ли не больший интерес для ученых, нежели все неорганические материалы вместе взятые.
Графен
двумерный кристаллический углеродный материал, который удобно представить в виде одного слоя углеродных атомов, образующих слоистую структуру графита. Впервые экспериментально получен и описан этот материал был в 2004 году группой…
Приспособить ТЭМ под исследование объектов органической природы позволил уже завоевавший славу углеродный материал графен. Тонкий углеродный лист графена атомарной толщины оказался прекрасной подложкой для соединений из легких атомов для изучения их на просвет электронным пучком.
Открытие это было сделано во многом случайно. Янник Мейер, входящий в группу профессора Алекса Зеттля из Калифорнийского университета в Беркли, но работающий сейчас в Университете немецкого города Ульм, изучал сами графеновые листы, пытаясь подобрать параметры съемки и настроить соотношение «сигнал—шум» своего микроскопа наилучшим образом.
В один прекрасный момент ему пришло в голову, что «шум», от которого никак не удается избавиться, есть не что иное, как легкие углеродные атомы на поверхности графена.
Оказалось, что графен, обладая минимально возможной толщиной в сочетании с феноменальной электронной проводимостью, дает очень низкий уровень шума, а прочностные характеристики этого материала позволяют ему выдерживать бомбардировку электронным пучком в течение многих часов. Статья команды ученых вышла в свет в журнале Nature.
Случайным ли образом в камере просвечивающего микроскопа Мейера оказались молекулы органических соединений, или они присутствуют там всегда и у всех, – сейчас сказать уже тяжело. Тем не менее Мейер, без сомнения, – первый, кто смог наблюдать динамику их движения по поверхности графена.
close
100%
Какие перспективы открывает новая методика просвечивающей микроскопии, разработанная специалистами из Беркли?
Главное, теперь становится возможным воочию наблюдать простые и сложные органические молекулы напрямую с помощью микроскопа, а не «щупать» их методами ядерного магнитного резонанса и рентгеновской дифракции.
Кроме того, по словам Зеттля, взаимодействие этих молекул на поверхности и с поверхностью отныне можно будет наблюдать в динамике.
Если раньше ученым приходилось анализировать состав продуктов и промежуточных веществ в ходе реакции, а затем строить сложные кинетические модели цепных реакций для установления их механизма, то в перспективе они смогут ограничиться простым наблюдением за молекулами взаимодействующих веществ напрямую; благо, ТЭМ позволяет наблюдать, что называется, «живую» картинку.
Конечно, такие радужные перспективы не могут пока исключить нескольких очень важных «но».
Во-первых, изучение структуры органических соединений, адсорбированных на поверхности, должно учитывать то обстоятельство, что конформация многих молекул в ходе такого адсорбционного взаимодействия может значительно измениться. О влиянии конформации молекулы на ход реакций, особенно если дело касается природных соединений, «Газета.Ru» писала в понедельник.
Во-вторых, если предметом изучения становится изучение взаимодействия органики с поверхностью твердого тела – задачи, очень важной в гетерогенном катализе, – графен не слишком-то и интересен, ибо со структурной и химической точки зрения он очень прост, чтобы не сказать примитивен.
А синтезировать подложки толщиной в несколько атомов из более интересных соединений с каталитической или структурной точки зрения – задача во многих случаях просто неразрешимая.
Наблюдение легких соединений с помощью ТЭМа таит в себе и ряд чисто технических сложностей. Однако, как показывает опыт развития науки техники последних лет, ученые наверняка найдут способ извернуться и в этом случае.
Физики научились двигать атомы менее чем за триллионную долю секунды
Анастасия
Никифорова
Новостной редактор
Ученые нашли увлекательный способ толкать атом с помощью контролируемых сил так быстро, что они могут управлять движением отдельной молекулы менее чем за триллионную долю секунды. Чрезвычайно острая игла их уникального сверхбыстрого микроскопа служит технической основой: он тщательно сканирует молекулы, как проигрыватель.
Исследование физиков из Регенсбургского университета, опубликованное в журнале Nature, показало, что световые импульсы, падающие на эту иглу, могут превратить ее в сверхбыструю «атомную руку». Это позволяет управлять молекулами и вдохновлять на новые технологии.
Читайте «Хайтек» в
Атомы и молекулы являются составными частями практически всей материи, которая нас окружает. Взаимодействуя друг с другом по правилам квантовой механики, они образуют сложные системы с бесконечным разнообразием функций. Чтобы изучить химические реакции, биологические процессы в клетке или новые способы сбора солнечной энергии, ученые хотели бы не только наблюдать за отдельными молекулами, но даже контролировать их.
Наиболее интуитивно люди учатся путем осязательного исследования, такого как толкание, вытягивание или постукивание. Естественно, мы привыкли к макроскопическим объектам, которых можем напрямую касаться, сжимать или подталкивать, прилагая силы. Точно так же атомы и молекулы взаимодействуют посредством сил, но эти силы являются экстремальными во многих отношениях.
Во-первых, силы, действующие между атомами и молекулами, происходят на очень малых расстояниях. Фактически эти объекты настолько малы, что для их измерения была введена специальная шкала длины: 1 Ангстрем (1Å = 0,000,000,000,1 м). Во-вторых, в то же время атомы и молекулы движутся и покачиваются чрезвычайно быстро. Фактически их движение происходит быстрее пикосекунды (1 пс = 0,000,000,000,001 с). Следовательно, чтобы напрямую управлять молекулой во время ее движения, требуется инструмент для создания сверхбыстрых сил в атомном масштабе.
Более 30 лет назад Эйглер и Швейцер показали, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа можно воздействовать статическими силами на отдельные атомы. В таком микроскопе очень острая игла используется для обнаружения атомов и молекул путем сканирования по ним, как в проигрывателе. Команда ученых из Регенсбурга и Цюриха теперь решила задачу сделать такие силы достаточно быстрыми, чтобы напрямую управлять молекулой во время ее движения, и, тем самым, управлять ее реакциями и переходами.
Команда из Регенсбурга под руководством Руперта Хубера и Яши Реппа создала уникальный в мире сверхбыстрый микроскоп, который объединяет фемтосекундные лазерные импульсы, открывая доступ к сверхбыстрым временным шкалам, со сканирующей туннельной микроскопией, которая позволяет визуализировать отдельные молекулы.
Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, его колеблющаяся несущая волна может действовать как сверхбыстрая сила. Даже быстрее, чем один колебательный цикл светового поля. Когда они прикладывали сверхбыстрые световые волны к атомной игле микроскопа, они действительно могли оказывать это воздействие локально, на отдельные участки молекулы. «Таким образом, мы можем использовать засвеченную светом иглу как сверхбыструю „руку“ атомного масштаба, чтобы толкать отдельные атомы молекулы», — объясняет Доминик Пеллер, ведущий автор нового исследования.
Наконечник сверхбыстрого сканирующего туннельного микроскопа (вверху слева) зависает над молекулярным переключателем (внизу, соединены красная и черная сферы).
Сверхбыстрые атомные силы (ударные волны) вызывают энергичное движение выбранного атома (красная сфера) молекулы, чтобы контролировать его реакционную способность в сверхбыстрых временных масштабах. Предоставлено: © Брэд Бэксли (parttowhole.com) Разрешено для отчета по этому исследованию
Команда заметила, что сверхбыстрые атомные силы были достаточно сильными, чтобы вызвать колебание молекулы. Это движение было настолько сильным, что изменило вероятность переключения молекулы до 39%. «Мы можем по желанию контролировать амплитуду и направление колебаний и тем самым модулировать вероятность реакции молекулы в фемтосекундном масштабе», — подчеркивает ученый.
Более того, оказалось, что только когда «атомная рука» прикладывает сверхбыстрые силы к очень специфическим участкам молекулы, она вызывает колебательное движение. Как выяснили ученые из сравнения с квантово-механическими расчетами, выполненными Николаем Моллем в Цюрихе, это связано с тем, что молекула цепляется за поверхность через ключевые атомы.
Только применяя сверхбыстрые силы к этим конкретным атомам, ученые могли выборочно управлять колебаниями молекулы.
Эта разработка, наконец, обеспечивает самый прямой контроль над молекулярными реакциями. Ожидается, что сверхбыстрые атомные силы помогут понять ключевые процессы в химии и биологии и управлять ими, чтобы вдохновить будущие технологии на основе одномолекулярных устройств. Таким образом, вездесущее сверхбыстрое движение элементарной составляющей материи можно не только наблюдать, но и контролировать и использовать с беспрецедентной точностью.
Читать также
Ореол Андромеды приближается к нашей галактике. Рассказываем, почему это важно
Симптомы коронавируса у детей. На что стоит обратить внимание?
Разработана уникальная молекула для хранения солнечной энергии
Фотография электрона. Ученые впервые увидели атом «вживую»
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.
Как известно, все материальное во Вселенной состоит из атомов. Атом – это мельчайшая единица материи, которая несет в себе ее свойства. В свою очередь, структура атома складывается из волшебного триединства микрочастиц: протонов, нейтронов и электронов.
При этом каждая из микрочастиц универсальна. То есть, не найти на свете двух разных протонов, нейтронов или электронов. Все они абсолютно друг на друга похожи. И свойства атома будут зависеть только от количественного состава этих микрочастиц в общем строении атома.
Например, структура атома водорода состоит из одного протона и одного электрона. Следующий по сложности, атом гелия состоит из двух протонов, двух нейтронов и двух электронов. Атом лития — из трех протонов, четырех нейтронов и трех электронов и т. д.
Структура атомов (слева направо): водорода, гелия, лития
Атомы соединяются в молекулы, а молекулы — в вещества, минералы и организмы. Молекула ДНК, являющаяся основой всего живого – структура, собранная из тех же трех волшебных кирпичиков мироздания, что и камень, лежащий на дороге. Хотя эта структура и намного более сложная.
Еще более удивительные факты открываются тогда, когда мы пытаемся поближе рассмотреть пропорции и строение атомной системы. Известно, что атом состоит из ядра и электронов, двигающихся вокруг него по траектории, описывающей сферу. То есть это даже нельзя назвать движением в обычном понимании этого слова. Электрон скорее находится везде и сразу в пределах этой сферы, создавая вокруг ядра электронное облако и формируя электромагнитное поле.
Схематические изображения строения атома
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и в нем сосредоточена почти вся масса системы. Но при этом, само ядро настолько мало, что если увеличить его радиус до масштаба в 1 см, то радиус всей структуры атома достигнет сотни метров. Таким образом, все, что мы воспринимаем как плотную материю, более чем на 99% состоит из одних только энергетических связей между физическими частицами и менее чем 1% — из самих физических форм.
Но что представляют собой эти физические формы? Из чего они состоят, и насколько они материальны? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте подробнее рассмотрим структуры протонов, нейтронов и электронов. Итак, мы спускаемся еще на одну ступеньку в глубины микромира – на уровень субатомных частиц.
Из чего состоит электрон
Самая маленькая частица атома – электрон. Электрон обладает массой, но при этом не обладает объемом. В научном представлении электрон не из чего не состоит, а представляет собой бесструктурную точку.
Под микроскопом электрон невозможно увидеть. Он наблюдаем только в виде электронного облака, которое выглядит как размытая сфера вокруг атомного ядра. При этом с точностью, где находится электрон в момент времени, невозможно сказать. Приборы же способны запечатлеть не саму частицу, а только лишь ее энергетический след. Суть электрона не вкладывается в представления о материи. Он скорее подобен некой пустой форме, существующей только в движении и за счет движения.
Никакой структуры в электроне до сих пор не было обнаружено. Он является такой же точечной частицей, как и квант энергии. Фактически, электрон — и есть энергия, однако, это более устойчивая ее форма, нежели та, которая представлена фотонами света.
В настоящий момент электрон считают неделимым. Это понятно, ведь невозможно разделить то, что не имеет объема. Однако в теории уже есть наработки, согласно которым в составе электрона лежит триединство таких квазичастиц как:
- Орбитон – содержит информацию об орбитальном положении электрона;
- Спинон – ответственен за спин или вращательный момент;
- Холон – несет информацию о заряде электрона.
Впрочем, как видим, квазичастицы с материей уже не имеют абсолютно ничего общего, и несут в себе одну только информацию.
Фотографии атомов разных веществ в электронный микроскоп
Интересно, что электрон может поглощать кванты энергии, например, света или тепла. В этом случае атом переходит на новый энергетический уровень, а границы электронного облака расширяются. Бывает и такое, что энергия, поглощаемая электроном настолько велика, что он может выскочить из системы атома, и далее продолжить свое движение как независимая частица. При этом он ведет себя подобно фотону света, то есть, он будто бы перестает быть частицей и начинает проявлять свойства волны. Это было доказано в эксперименте.
Эксперимент Юнга
В ходе эксперимента на экран с двумя прорезанными в нем щелями был направлен поток электронов. Проходя через эти прорези, электроны сталкивались с поверхностью еще одного – проекционного – экрана, оставляя на нем свой след. В результате такой «бомбардировки» электронами на проекционном экране появлялась интерференционная картина, подобная той, которая появилась бы, если бы через две прорези проходили бы волны, но не частицы.
Такой рисунок возникает из-за того, что волна, проходя между двух щелей, делится на две волны. В результате дальнейшего движения волны накладываются друг на друга, и на некоторых участках происходит их взаимное гашение. В результате мы получаем много полос на проекционном экране, вместо одной, как это было бы, если бы электрон вел себя как частица.
Структура ядра атома: протоны и нейтроны
Протоны и нейтроны составляют ядро атома. И притом, что в общем объеме ядро занимает менее 1%, именно в этой структуре сосредоточена почти вся масса системы. А вот на счет структуры протонов и нейтронов физики разделились во мнениях, и на данный момент существует сразу две теории.
- Теория №1 — Стандартная
Стандартная модель говорит о том, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков, соединенных между собой облаком глюонов. Кварки являются точечными частицами, так же, как кванты и электроны. А глюоны – это виртуальные частицы, обеспечивающие взаимодействие кварков.
Однако в природе так и не было найдено ни кварков, ни глюонов, потому эта модель поддается жестокой критике.
- Теория №2 — Альтернативная
А вот по альтернативной теории единого поля, разработанной Эйнштейном, протон, как и нейтрон, как и любой другая частица физического мира, представляет собой вращающееся со скоростью света электромагнитное поле.
Электромагнитные поля человека и планеты
Каковы же принципы строения атома?
Все в мире – тонкое и плотное, жидкое, твердое и газообразное – это лишь энергетические состояния бесчисленных полей, пронизывающих пространство Вселенной. Чем выше уровень энергии в поле, тем оно тоньше и менее уловимо. Чем ниже энергетический уровень, тем оно более устойчивое и ощутимое. В структуре атома, как и в структуре любой другой единицы Вселенной, лежит взаимодействие таких полей – разных по энергетической плотности. Выходит, а материя – только иллюзия ума.
В самом деле, автор РТЧ в своих «размышлизмах» зашёл так далеко, что впору вызывать тяжёлую контраргументацию, а именно – данные эксперимента японских учёных по фотографированию атома водорода, о котором стало известно 4 ноября 2010 года.
На снимке хорошо видна атомная форма, подтверждающая как дискретность, так и округлость атомов: «Группа учёных и специалистов Токийского университета впервые в мире сфотографировала отдельный атом водорода – самый лёгкий и самый маленький из всех атомов, сообщают информагентства.
Снимок был сделан при помощи одной из новейших технологий – специального сканирующего электронного микроскопа. С помощью этого прибора вместе с атомом водорода был сфотографирован и отдельный атом ванадия.
Диаметр атома водорода составляет одну десятимиллиардную часть метра. Ранее считалось, что сфотографировать его современным оборудованием практически невозможно. Водород является самым распространённым веществом. Его часть во всей Вселенной приблизительно 90%.
По словам учёных, таким же способом можно запечатлеть и другие элементарные частицы. «Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир, – заявил профессор Юити Икухара. – Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул» .
Атом водорода, цвета условные
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Группа ученых из Германии, Греции, Нидерландов, США и Франции получила снимки атома водорода. На этих изображениях, полученных при помощи фотоионизационного микроскопа, видно распределение электронной плотности, которое полностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Работа международной группы представлена на страницах Physical Review Letters.
Суть фотоионизационного метода заключается в последовательной ионизации атомов водорода, то есть в отрывании от них электрона за счет электромагнитного облучения. Отделившиеся электроны направляются на чувствительную матрицу через положительно заряженное кольцо, причем положение электрона в момент столкновения с матрицей отражает положение электрона в момент ионизации атома. Заряженное кольцо, отклоняющее электроны в сторону, играет роль линзы и с его помощью изображение увеличивается в миллионы раз.
Этот метод, описанный в 2004 году, уже применялся для получения «фотографий» отдельных молекул, однако физики пошли дальше и использовали фотоионизационный микроскоп для исследования атомов водорода.
Так как попадание одного электрона дает всего одну точку, исследователи накопили около 20 тысяч отдельных электронов от разных атомов и составили усредненное изображение электронных оболочек.
В соответствии с законами квантовой механики, электрон в атоме не имеет какого-то определенного положения сам по себе. Лишь при взаимодействии атома с внешней средой электрон с той или иной вероятностью проявляется в некоторой окрестности ядра атома: область, в которой вероятность обнаружения электрона максимальна, называется электронной оболочкой. На новых изображениях видны различия между атомами разных энергетических состояний; ученые смогли наглядно продемонстрировать форму предсказанных квантовой механикой электронных оболочек.
При помощи других приборов, сканирующих туннельных микроскопов, отдельные атомы можно не только увидеть, но и переместить в нужное место. Эта техника около месяца назад позволила инженерам компании IBM нарисовать мультфильм, каждый кадр которого сложен из атомов: подобные художественные эксперименты не имеют какого-то практического эффекта, но демонстрируют принципиальную возможность манипуляций с атомами.
В прикладных целях используется уже не поатомная сборка, а химические процессы с самоорганизацией наноструктур или самоограничением роста одноатомных слоев на подложке.
На данной фотографии вы смотрите на первое прямое изображение орбит электрона вокруг атома — фактически волновую функцию атома!
Для получения фотографии орбитальной структуры атома водорода, исследователи использовали новейший квантовой микроскоп — невероятное устройство, которое позволяет ученым заглянуть в область квантовой физики.
Орбитальная структура пространства в атоме занята электроном. Но при описании этих микроскопических свойств материи, ученые полагаются на волновые функции — математические способы описания квантовых состояний частиц, а именно того, как они ведут себя в пространстве и во времени.
Как правило, в квантовой физике используют формулы типа уравнения Шредингера для описания состояний частиц.
Препятствия на пути исследователей
До сегодняшнего момента, ученые фактически никогда не наблюдали волновую функцию.
Попытка уловить точное положение или импульс одинокого электрона было сродни попытке поймать рой мух. Прямые наблюдения искажались весьма неприятным явлением — квантовой когерентностью.
Чтобы измерить все квантовые состояния нужен инструмент, который может проводить множество измерений состояний частицы с течением времени.
Но как увеличить и так микроскопическое состояние квантовой частицы? Ответ нашла группа международных исследователей. С помощью квантового микроскопа — устройства, которое использует фотоионизацию для прямых наблюдений атомных структур.
В своей статье в популярном журнале Physical Review Letters, Aneta Stodolna работающая в институте молекулярной физики (AMOLF) в Нидерландах рассказывает, как она и ее команда получили структуры узловых электронных орбиталей атома водорода помещенных в статическом электрическом поле.
Методика работы
После облучения лазерными импульсами, ионизированные электроны покидали свои орбиты и по измеренной траектории попадали в 2D детектор (двойная микроканальная пластина .
Детектор расположен перпендикулярно к самому полю). Существует множество траекторий, по которым могут перемещаться электронов до столкновения с детектором. Это обеспечивает исследователей набором интерференционных картин, — моделей которые отражают узловую структуру волновой функции.
Исследователи использовали электростатическую линзу, которая увеличивает исходящую волну электронов более чем в 20000 раз.
Российские ученые предложили новый подход к определению размера атомов
Сегодня, когда новые лекарства разрабатывают на суперкомпьютерах, когда поверхности покрывают защитным слоем толщиной в несколько атомов, когда электроника работает в наномасштабе, ученым очень важно понимать, как ведут себя соседние молекулы по отношению друг к другу, какова энергия их взаимодействий. Современные методы квантовой химии могут помочь в этом, однако их ответы либо недостаточно точны, либо их получение занимает месяцы работы суперкомпьютеров.
Российские ученые, работающие в Университете ИТМО, в качестве альтернативы предложили новый метод статистического анализа силы межмолекулярных взаимодействий и размеров атомов. Эта работа попала на обложку журнала ChemPhysChem.
С точки зрения химии все мы живем в мире постоянных межмолекулярных взаимодействий. Процесс заварки чая, переваривание еды в нашем организме, жесткость нового вида пластика — все это зависит от характера взаимодействий отдельных молекул и атомов между собой. Проблема заключается в том, что современные методы квантовой химии не позволяют полностью и точно описывать характеристики межмолекулярных взаимодействий.
«У нас есть уравнение Шредингера, которое нужно для того, чтобы описать любую квантовую систему, — рассказывает научный сотрудник химико-биологического кластера Университета ИТМО Иван Чернышoв. — Решение этого уравнения в точном виде невозможно.
Квантовая химия — это та область квантовой механики, которая посвящена приближенному решению этого уравнения для химических систем, однако есть проблема. Приближенные методы очень хорошо работают, когда мы описываем поведение отдельных молекул, однако, когда дело доходит до межмолекулярных взаимодействий, то возникают большие погрешности. Если пытаться увеличить точность расчетов, то стремительно растет время для вычислений — так, что на решение требуется огромное время работы суперкомпьютеров».Между тем, на современном уровне науки ученым важно уметь точно оценивать энергию межмолекулярных взаимодействий. Это знание позволяет понять, как влияют молекулы лекарства на клетки организма или как устроены новые материалы для органической электроники. Небольшие изменения в характере взаимодействия между молекулами могут сделать разработку очень эффективной, или, наоборот, крайне неконкурентоспособной.
Химики нашли выход: чтобы определить, насколько то или иное взаимодействие определяет строение и свойства системы, они стали использовать принцип эффективного размера атомов, или, как их называют, Ван-дер-Ваальсовых радиусов.
В этой концепции предполагается, что сближение атомов из разных молекул на расстояние меньше некоторого свидетельствует о важности соответствующего взаимодействия, в противном случае им можно пренебречь.
«В какой-то момент было решено, что взаимодействие между молекулами важно там, где расстояние между атомами достаточно маленькое, — поясняет Чернышов. — Но как найти конкретное значение? Ученый Лайнус Полинг придумал следующий подход: давайте возьмем молекулярные кристаллы, для которых доступно огромное количество экспериментальных данных по их геометриям, посмотрим на расстояния между атомами в разных молекулах, найдем их среднее значение и получим некий условный размер атома — Ван-дер-Ваальсов радиус. Если расстояние между двумя атомами меньше суммы этих радиусов, то атомы находятся достаточно близко, чтобы взаимодействие между ними было достаточно сильным, чтобы его учитывать».
Однако из-за особенностей методики определения этих Ван-дер-Ваальсовых радиусов их значения оказываются занижены на 10-15%.
В результате в анализ химических систем зачастую закрадываются ошибки — многие важные взаимодействия отбрасываются как незначительные, что делает работу исследователей менее эффективной.
«Эта ошибка возникает из несовершенства метода определения усредненного расстояния между атомами в разных молекулах, — говорит исследователь. — У нас есть огромное количество экспериментальных данных, условно говоря, все возможные варианты взаимодействия некоторых двух атомов из разных молекул — суммарно миллионы случаев. Если построить на основе этих данных график распределения межатомных дистанций, то мы видим, что он выглядит как быстро растущая горка, определяемая случайными парами атомами, в начале которой имеется небольшой горб — так называемый Ван-дер-Ваальсов пик, свидетельство межатомного притяжения. Центр этого пика соответствует оптимальному расстоянию между атомами, однако его положение не всегда удается найти, только лишь для некоторых видов атомов. В результате в качестве среднего расстояния берется положение полувысота Ван-дер-Ваальсова пика — приближенный метод, занижающий искомую величину более чем на 10%».
Группа ученых Университета ИТМО в сотрудничестве с сотрудниками ИнЭОС РАН предложила новый метод статистического анализа, который позволяет точнее определять размер атомов, а следовательно, точнее рассчитывать, какое из межмолекулярных взаимодействий имеет значение, а каким можно пренебречь.
«Мы придумали способ, позволяющий построить график для определения Ван-дер-Вальсовых радиусов более эффективно, чтобы Ван-дер-Ваальсов пик, отвечающий за межмолекулярные взаимодействия, был явно виден. Из всей массы данных о взаимодействии двух атомов мы выделяем только “прямые” взаимодействия, отсекая всевозможные случайные контакты. Для этого мы представляем все атомы как шарики и отбираем только те пары, линию между центрами которых не пересекает никакой другой атом. Другими словами, центры двух атомов должны находиться на “линии взгляда”. Так мы отсекаем случайные контакты, которые только вносят неразбериху в расчеты. Применив этот метод, мы получили очень “чистые” графики, где отчетливо виден Ван-дер-Ваальсов пик, показывающий среднее расстояние между атомами, на котором резко падает сила взаимодействия, то есть эффективный размер атома», — поясняет соавтор исследования.
Несмотря на то, что российские ученые предложили для решения сложнейшей задачи из мира квантовой химии сравнительно простой статистический метод, он позволяет получать достаточно точные данные, необходимые для оценки размеров атомов, молекул, для оценки характера межмолекулярных взаимодействий, что очень важно для современных приложений.
«Самый простой пример — сейчас активно исследуются взаимодействия между лекарством и целевым белком в организме, — поясняет Иван Чернышов. — Представьте, что у вас есть хорошая лечебная молекула, которая показала свою эффективность, однако для реального применения ее нужно улучшить, что-то в ней поменять, усилив связывание с активным центром. Для этого нужно понять, какие межмолекулярные взаимодействия при связывании лекарства с белком важны, а какие нет. Для этого вы берете Ван-дер-Ваальсовы радиусы и смотрите, какие из наблюдаемых вами взаимодействия в структуре связанного белка важны, а какими можно пренебречь.
Но стандартные значения радиусов, используемые на сегодняшний день, определялись эмпирически и непонятно чему соответствуют, что может сказываться на точности предсказания для новых систем. Наш метод позволяет значительно увеличить точность подобных предсказаний».Исследование россиян так впечатлило редакцию научного журнала ChemPhysChem, что его решено было вынести на обложку очередного номера. Как считают авторы, это произошло не только ввиду высокой значимости работы для конкретных приложений, но и потому, что данное исследование является хорошей иллюстрацией того, насколько аккуратно стоит использовать результаты, полученные путем анализа больших данных.
«Наша статья является очень красивой иллюстрацией того, что увеличение количества данных не всегда приводит к улучшению точности построенной на них модели. В первую очередь, важна правильная обработка этих данных, — подытоживает Чернышов. — Обложка журнала, выбранная редакцией, как раз и отражает эту главную мысль нашего исследования, которую можно выразить крылатой фразой «за лесом не видно деревьев».
Не всегда важно, сколько вы соберете данных, важно понять, что они значат. Ведь Ван-дер-Ваальсовы радиусы, рассчитанные старым методом, приблизительно и с погрешностями, сейчас входят в базовые учебники по химии, эти цифры пишут на многих изданиях таблицы Менделеева. Большинство химиков забыли, что стандартные радиусы были определены с некой степенью условности и, как следствие, ошибкой, и делали на их основе важные выводы, где подобная погрешность может отразиться на результате, а оказывается, что все немного иначе».Статья: Ivan Yu. Chernyshov Dr. Ivan V. Ananyev Prof. Dr. Evgeny A. Pidko, Revisiting van der Waals Radii: From Comprehensive Structural Analysis to Knowledge‐Based Classification of Interatomic Contacts (ChemPhysChem 5/2020), 2020 doi.org/10.1002/cphc.202000090
Изображение на обложке статьи: исследование ученых Университета ИТМО на обложке журнала ChemPhysChem. Источник: onlinelibrary.wiley.com
К началу
Как были получены фотографии атомов.
Фото одного атома победило в конкурсе научной фотографии, и вот как это стало возможно
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.
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 С 60 , 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 C 6 и C 5 .
Изучение же особенностей химического связывания в гексабензокоронене, где вокруг центрального цикла C 6 симметрично расположено еще шесть циклов C 6 , 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.
В самом деле, автор РТЧ в своих «размышлизмах» зашёл так далеко, что впору вызывать тяжёлую контраргументацию, а именно – данные эксперимента японских учёных по фотографированию атома водорода, о котором стало известно 4 ноября 2010 года.
На снимке хорошо видна атомная форма, подтверждающая как дискретность, так и округлость атомов: «Группа учёных и специалистов Токийского университета впервые в мире сфотографировала отдельный атом водорода – самый лёгкий и самый маленький из всех атомов, сообщают информагентства.
Снимок был сделан при помощи одной из новейших технологий – специального сканирующего электронного микроскопа. С помощью этого прибора вместе с атомом водорода был сфотографирован и отдельный атом ванадия.
Диаметр атома водорода составляет одну десятимиллиардную часть метра. Ранее считалось, что сфотографировать его современным оборудованием практически невозможно. Водород является самым распространённым веществом. Его часть во всей Вселенной приблизительно 90%.
По словам учёных, таким же способом можно запечатлеть и другие элементарные частицы. «Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир, – заявил профессор Юити Икухара. – Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул» .
Атом водорода, цвета условные
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Группа ученых из Германии, Греции, Нидерландов, США и Франции получила снимки атома водорода. На этих изображениях, полученных при помощи фотоионизационного микроскопа, видно распределение электронной плотности, которое полностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Работа международной группы представлена на страницах Physical Review Letters.
Суть фотоионизационного метода заключается в последовательной ионизации атомов водорода, то есть в отрывании от них электрона за счет электромагнитного облучения. Отделившиеся электроны направляются на чувствительную матрицу через положительно заряженное кольцо, причем положение электрона в момент столкновения с матрицей отражает положение электрона в момент ионизации атома. Заряженное кольцо, отклоняющее электроны в сторону, играет роль линзы и с его помощью изображение увеличивается в миллионы раз.
Этот метод, описанный в 2004 году, уже применялся для получения «фотографий» отдельных молекул, однако физики пошли дальше и использовали фотоионизационный микроскоп для исследования атомов водорода.
Так как попадание одного электрона дает всего одну точку, исследователи накопили около 20 тысяч отдельных электронов от разных атомов и составили усредненное изображение электронных оболочек.
В соответствии с законами квантовой механики, электрон в атоме не имеет какого-то определенного положения сам по себе. Лишь при взаимодействии атома с внешней средой электрон с той или иной вероятностью проявляется в некоторой окрестности ядра атома: область, в которой вероятность обнаружения электрона максимальна, называется электронной оболочкой. На новых изображениях видны различия между атомами разных энергетических состояний; ученые смогли наглядно продемонстрировать форму предсказанных квантовой механикой электронных оболочек.
При помощи других приборов, сканирующих туннельных микроскопов, отдельные атомы можно не только увидеть, но и переместить в нужное место. Эта техника около месяца назад позволила инженерам компании IBM нарисовать мультфильм, каждый кадр которого сложен из атомов: подобные художественные эксперименты не имеют какого-то практического эффекта, но демонстрируют принципиальную возможность манипуляций с атомами.
В прикладных целях используется уже не поатомная сборка, а химические процессы с самоорганизацией наноструктур или самоограничением роста одноатомных слоев на подложке.
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.
−5 метра, то есть одна сотая миллиметра. Это неразличимо неворуженным взглядом.
Давайте лучше увеличим протон сразу до размеров горошины. Орбита электрона окажется тогда радиусом с футбольное поле.
Протон будет представлять собой область положительного заряда. Он состоит из трех кварков, которые меньше его примерно в тысячу раз — их мы точно не увидим. Существует мнение, что если посыпать этот гипотетический объект магнитной стружкой, она соберется вокруг центра в сферическое облачко.
Электрон увидеть не выйдет. Никакой шарик вокруг атомного ядра летать не будет, «орбита» электрона представляет собой лишь область, в разных точках которой электрон может находиться с разной вероятностью. Можно представить это себе как сферу диаметром со стадион вокруг нашей горошины. В случайных точках внутри этой сферы возникает и моментально пропадает отрицательный электрический заряд. Причем, делает это настолько быстро, что даже в любой отдельно взятый момент времени говорить о его конкретном расположении не имеет смысла.
.. да, это непостижимо. Проще говоря, это никак не «выглядит».
Интересно, кстати, что, увеличив атом до макроскопических размеров, мы надеемся его «увидеть» — то есть, засечь отраженный от него свет. На самом же деле атомы обыкновенных размеров свет не отражают, речь в атомных масштабах идет о взаимодействиях между электронами и фотонами. Электрон может поглотить фотон и перейти на следующий энергетический уровень, он может испустить фотон и так далее. При гипотетическом увеличении этой системы до размеров футбольного поля понадобится слишком много допущений, чтобы предсказать поведение этой невозможной конструкции: будет ли фотон так же воздействовать на гигантский атом? Нужно ли «смотреть» на него, бомбардируя его специальными гигантскими фотонами? Будет ли он излучать гиганские фотоны? Все эти вопросы, строго говоря, не имеют смысла. Думаю, впрочем, можно с уверенностью сказать, что атом не станет отражать свет так, как делал бы это металлический шарик.
390.966 молекулы Стоковые фото, картинки и изображения
3d illustration of molecule model.
научный фон с молекулами и атомами
Значок спирали ДНК
3d иллюстрация модели молекулы. фон науки с молекулами и атомами
Абстрактный дизайн молекул. векторная иллюстрация. атомы. медицинское образование для баннера или флаера. молекулярная структура с голубыми сферическими частицами.
Научный фон с молекулами
Молекула воды h3o. векторная иллюстрация
Абстрактный научный фон с нитями ДНК
Научная иллюстрация молекулы ДНК. векторная иллюстрация.
Дизайн гиалуроновой кислоты или абстрактных молекул
Наука, химия, биология, медицина и концепция людей — крупный план ученых с пипеткой и колбами, проводящих тест в клинической лаборатории на химическую формулу водорода и структуру молекулы ДНК
Иллюстрация молекулы ДНК клетки
Синяя сетка биологии с ограничениями подключения, 3D-рендеринг. компьютерный цифровой рисунок.
Косметическая процедура с капельками коллагена и сыворотки с золотым маслом. концепция увлажнения кожи лица.
блестящая ферментная капля премиум-класса.
Иллюстрация молекулы на синем фоне с копирайтом для текста
3D иллюстрация модели молекулы. научный фон с молекулами и атомами
Крупный план двойной спирали ДНК, повреждение ДНК, концепция расстройства или генетической мутации (3D визуализация)
Модели абстрактной молекулярной структуры на синем фоне. скопируйте место для вашего текста. макет шаблона. 3D визуализация
Молекула 3d иллюстрация
Абстрактный научный фон с шестиугольниками и молекулами.
3D-иллюстрация модели молекулы. наука или медицинское образование с молекулами и атомами.
Медицинские абстрактные научные фоновые иллюстрации
Научный шаблон, обои или баннер с молекулами ДНК.
Абстрактный дизайн молекул воды. атомы. абстрактный фон воды для баннера или флаера. наука или медицинское образование. 3D-рендеринг иллюстрации.
вода. Иллюстрация модели молекулы воды на белом фоне
Концепция коллекции прозрачных молекул жидкости, собирающихся под поверхностным слоем на микрофоне — 3D визуализация
Абстрактный фон с молекулами воды.
иллюстрация с эффектом степеней свободы.
3D-иллюстрация модели молекулы. наука или медицинское образование с молекулами и атомами.
Абстрактный фон науки с молекулами на весь экран
Молекулы. химические обои, концепция нанотехнологий. 3d молекулярная структура, биотехнология абстрактный научный вектор микротехнологический фон
Цепь аминокислот или биомолекул, называемых белком.
Искусственная молекула ДНК, концепция искусственного интеллекта, на темном фоне.
Сине-белый фон с прозрачными молекулами
3D иллюстрация с молекулой воды. абстрактная молекула микробиологии или науки фон
3d иллюстрации молекул. фон атомов. медицинское образование для баннера или флаера. молекулярная структура на атомарном уровне.
Научный фон с молекулами
3D иллюстрация модели молекулы. наука или медицинское образование с молекулами и атомами.
3D визуализация глянцевых молекул на белом фоне
Молекула воды. концепция экологии, биологии и биохимии.
3D-рендеринг
Формула Thc и cbd. соединение структуры молекулы каннабидиола и тетрагидроканнабинола. молекулы медицинской марихуаны, формула биохимии каннабидиола. векторная иллюстрация химической зависимости
Абстрактный дизайн молекул воды.
Вещество в различных состояниях, например вода. твердое, жидкое, газообразное и плазменное. молекулярная форма. векторная диаграмма для образовательных и научных целей
Биологическая лаборатория природы и науки, растения с биохимической структурой на зеленом фоне.
Кристаллическая структура белка онкомаркера. 3d модель биологической макромолекулы.
3D иллюстрация с молекулой воды. абстрактная молекулярная микробиология или научный фон
Уровни структуры белка от аминокислот до комплекса белковой молекулы. белок представляет собой полимер (полипептид), образованный из последовательностей аминокислот. уровни структуры белка: первичный, вторичный, третичный и четвертичный
Модели абстрактной молекулярной структуры на синем фоне.
скопируйте место для вашего текста. макет шаблона. 3d визуализация
Волна частиц. абстрактный фон с футуристической волной. 3d рендеринг.
Научная молекулярная база для медицины, науки, техники, химии. обои или баннер с молекулами днк. геометрическая динамическая иллюстрация.
Научная молекулярная база для медицины, науки, техники, химии. волны текут. обои или баннер с молекулами днк. векторная геометрическая динамическая иллюстрация
Структура молекул. кислород (газ), вода (жидкость), соль (твердое тело) и сахар (глюкоза). набор различных вариантов объединения атомов в молекулы. векторная иллюстрация для биологии, науки, физики, химии и медицины.
Научный шаблон, обои или баннер с молекулами ДНК. векторная иллюстрация.
Структура пептида структура аминокислоты, векторная иллюстрация
Медицинские исследования молекулярных структур. наука на службе человека. технологии будущего в нашей жизни. 3d иллюстрация модели молекулы в неоновом свете
Синий фон с ДНК.
синий фон и абстрактная молекулярная связь с молекулой днк. векторная иллюстрация.
Бизнес-шаблоны: брошюра, журнал, листовка, флаер, обложка, буклет, годовой отчет. научная концепция для медицины, технологической химии, гексагональной структуры молекул ДНК, атомных нейронов.
Абстрактная модель молекулы ДНК человека
Петаза — бактериальный фермент, расщепляющий пластик домашних животных до мономерных молекул. весь процесс бактериального разложения дает терефталевую кислоту и этиленгликоль, которые безвредны для окружающей среды.
Синие точки соединения, абстрактный векторный шаблон логотипа. Значок технологической системы nno. наука изобретает графический символ. медицинская лаборатория, знак.
3d модель кофеина, представленная в виде схематичной молекулярной структуры, свободно парящей среди других органических веществ. 3D рендеринг графики.
Молекула тиаминтрифосфата. 3d рендеринг. атомы представлены в виде сфер с условной цветовой кодировкой: водород (белый), углерод (серый), кислород (красный), азот (синий), сера (желтый), фосфор (оранжевый).
Структура молекулы и связь. ДНК, атом, нейроны. научная концепция для вашего дизайна. соединенные линии точками. медицина, технологии, химия, наука. vector illustration
Абстрактные геометрические соединения линий и точек. простая технология графического фона. иллюстрация векторный дизайн сети и концепции подключения.
Шестиугольники абстрактный фон с геометрическими формами. наука, техника и медицинская концепция. футуристический фон в стиле науки. графический шестнадцатеричный фон для вашего дизайна. векторная иллюстрация.
Абстрактные молекулы. атомы. графическая иллюстрация для вашего дизайна
Материя от молекулы до кварка. например молекулы воды. микрокосм и макрокосм
Абстрактные молекулы. фон науки и техники
молекулы 3d иллюстрации. фон атомов. медицинское образование для баннера или флаера. молекулярная структура на атомарном уровне.
Фон абстрактной сетевой молекулы — 3d визуализация
Химическая реакция.
новые соединения (молекулы воды) образуются в результате перегруппировки атомов кислорода и водорода
Научная концепция. молекулы метана или аммония. 3d визуализированная иллюстрация.
Общая формула аминокислот, являющихся строительными блоками белков и мышечных волокон. структурная химическая формула и молекулярная модель. векторная иллюстрация
Трехмерная структура ацетона (систематически называемого 2-пропаноном), бесцветной летучей легковоспламеняющейся жидкости и простейшего кетона. ацетон смешивается с водой и служит важным растворителем.
Структура ДНК. векторная диаграмма для вашего дизайна, образования, науки и медицины
Химия и медицина абстрактный синий фон. 3d-рендеринг
Золотые нити ДНК на абстрактном медицинском фоне
Молекулярная структура крахмала, выделенная на белом
Глутамат — глутаминовая кислота. 3d модель молекулы глутаминовой кислоты, свободно парящей среди других органических молекул. 3D рендеринг графики.
Молекула ДНК изолированная иконка векторная иллюстрация дизайн
Модель атома с концепцией образования значок химии и науки, векторные иллюстрации
Химическая модель молекулы водорода h3 научный элемент. интегрированные частицы природного неорганического соединения 3d молекулярной структуры. две зеленые объемные атомные сферы векторная иллюстрация изолированы
Набор цифровых фонов для векторной иллюстрации структуры молекулы ДНК.
Иконка молекулы на белом фоне
Абстрактный фон молекулы — 3D-рендеринг изображения
Атом изолирован на белом фотореалистичной векторной иллюстрации
Ручной рисунок каракули кофеин химическая формула иконка векторная иллюстрация мультфильм молекула эскиз гуаранин символ молекулярная структура структурная научная формула гормона изолирована на белом фоне
Глюкоза (декстроза, d-глюкоза) молекула. циклические и ациклические формы. структурная химическая формула и молекулярная модель. векторная иллюстрация
Модель молекулы озона, изолированная на прозрачном фоне.
векторная иллюстрация.
Переваривание белка. ферменты (протеазы и пептидазы) расщепляют белок на более мелкие пептидные цепи и на отдельные аминокислоты, которые всасываются в кровь.
Набор абстрактных значков воды. знаки кондиционирования и очистки. влажность воздуха синие знаки отличия. жидкий логотип, формы из соединенных точек, необычная векторная иллюстрация логотипа на белом фоне.
Геометрический абстрактный фон с молекулой шестиугольника.
Двойное воздействие руки врача, работающего с современным компьютерным интерфейсом, как медицинская концепция
Трехмерный фон структуры молекулы. графический дизайн. векторная иллюстрация. может использоваться для плаката, открытки, флаера или баннера.
Векторные гормоны минималистичный шаблон баннера. структура инсулина изолирована на белом фоне. связанные с сахарным диабетом, поджелудочной железой. дизайн для образования, презентации, плаката.
Технологические и научные баннеры с фоном молекулярной структуры.
векторная иллюстрация.
Молекула кофеина. 3d модель кофеина, представленная в виде схематичной молекулярной структуры, свободно парящей среди других органических веществ. 3D рендеринг графики.
Вид молекулы в 3D-рендеринге на медицинском интерфейсе
Большая и подробная инфографика молекулы глюкозы.
Ручной рисунок каракули химическая формула кофеина иконка векторная иллюстрация мультяшный эскиз молекулы гуаранин символ молекулярная структура структурная научная формула гормона изолирована на белом фоне
Почти так же ясно, как схема из учебника, это изображение, полученное с помощью бесконтактного атомно-силового микроскопа, показывает положение отдельных атомов и связей в молекуле, имеющей 26 атомов углерода и 14 атомов водорода, структурированных как три соединенных бензольных кольца. Предоставлено: Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и Калифорнийский университет в Беркли.
Когда Феликс Фишер из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) приступил к разработке наноструктур из графена с использованием нового контролируемого подхода к химическим реакциям, первый результат стал неожиданностью: впечатляющие изображения отдельных атомов углерода и связи между ними.
«Мы не думали о создании красивых изображений; целью были сами реакции», — говорит Фишер, штатный научный сотрудник отдела материаловедения (MSD) лаборатории Беркли и профессор химии Калифорнийского университета в Беркли. «Но чтобы действительно увидеть, что происходит на уровне отдельных атомов, нам пришлось использовать уникально чувствительный атомно-силовой микроскоп в лаборатории Майкла Кромми». Кромми — ученый MSD и профессор физики Калифорнийского университета в Беркли.
То, что микроскоп показал исследователям, по словам Фишера, «было поразительным». Конкретные результаты реакции сами по себе были неожиданными, но визуальные доказательства были еще более неожиданными. «Никто никогда не делал прямых изображений отдельных молекул с разрешением одиночных связей прямо до и сразу после сложной органической реакции», — говорит Фишер.
Исследователи сообщают о своих результатах в выпуске журнала Science от 7 июня 2013 г.
, предварительно доступном на сайте Science Express .
Графеновые наноструктуры снизу вверх
Графеновые наноструктуры могут использоваться в качестве транзисторов, логических вентилей и других элементов чрезвычайно миниатюрных электронных устройств, но чтобы они стали практичными, их необходимо массово производить с атомарной точностью. Методы «попадай или промахивайся сверху вниз», такие как расслоение графита или расстегивание углеродных нанотрубок, не могут справиться с этой задачей.
Фишер и его коллеги приступили к проектированию графеновых наноструктур снизу вверх путем преобразования линейных цепочек атомов углерода в вытянутые гексагональные листы (полиароматические углеводороды) с использованием реакции, первоначально открытой профессором Калифорнийского университета в Беркли Робертом Беркли. Первым требованием было проведение реакций в контролируемых условиях.
Исходная молекула реагента, покоящаяся на плоской серебряной поверхности, изображена как до, так и после реакции, которая происходит при температуре выше 90 градусов Цельсия.
Показаны два наиболее распространенных конечных продукта реакции. Шкала в три ангстрема (ангстрем — одна десятимиллиардная часть метра) указывает на то, что молекулы реагентов и продуктов имеют диаметр около одной миллиардной доли метра. Предоставлено: Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и Калифорнийский университет в Беркли.
«В растворе более дюжины соединений могут быть продуктами реакции, которую мы использовали, и охарактеризовать результаты будет сложно», — говорит Фишер. «Вместо 3D-решения мы создали 2D-систему. Мы поместили нашу исходную молекулу» — структуру, называемую олиго-ендиин, состоящую из трех бензольных колец, связанных атомами углерода, — «на поверхность серебра, а затем индуцировали реакции, нагревая ее. »
Группа Фишера сотрудничала с экспертом по микроскопии Кромми, чтобы разработать наилучшее изображение. В первой попытке отследить реакции использовался сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который улавливает электронные состояния, когда находится на расстоянии нескольких миллиардных долей метра (нанометров) от поверхности образца.
Но разрешение изображения крошечной молекулы и ее продуктов — каждое размером около одного нанометра — было недостаточно хорошим, чтобы надежно идентифицировать молекулярные структуры.
Затем сотрудники обратились к методу, называемому бесконтактной атомно-силовой микроскопией (nc-AFM), который исследует поверхность острым наконечником. Наконечник механически отклоняется электронными силами очень близко к образцу, двигаясь подобно игле фонографа в канавке.
«Молекула угарного газа, адсорбированная на кончике «иглы» АСМ, оставляет единственный атом кислорода в качестве зонда», — объясняет Фишер. «Движение этого «атомного пальца» вперед и назад по серебряной поверхности похоже на чтение шрифтом Брайля, как если бы мы чувствовали маленькие выпуклости атомного масштаба, создаваемые атомами». Фишер отмечает, что АСМ-изображение с высоким разрешением впервые было выполнено группой Герхарда Мейера из IBM в Цюрихе, «но здесь мы используем его, чтобы понять результаты фундаментальной химической реакции».
Одноатомная игла бесконтактного атомно-силового микроскопа «чувствует» изменение силы электронных сил при движении по поверхности на постоянной высоте. Результирующие движения стилуса обнаруживаются лазерным лучом для вычисления изображений. Предоставлено: Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и Калифорнийский университет в Беркли.
Одноатомный движущийся палец нк-АСМ мог чувствовать не только отдельные атомы, но и силы, представляющие связи, образованные электронами, разделяемыми между ними. Полученные изображения имели поразительное сходство с диаграммами из учебника или на доске, используемой для обучения химии, только здесь не требовалось никакого воображения.
Говорит Фишер: «То, что вы видите, это то, что вы имеете — эффекты электронных сил между атомами и даже порядок связей. Вы можете различать одинарные, двойные и тройные связи».
Однако понятие химической связи не такое простое, как может показаться. Из десятков возможностей реакция исходной молекулы не дала того, что интуитивно казалось Фишеру и его коллегам наиболее вероятными продуктами.
Вместо этого в результате реакции образовались две разные молекулы. Плоская серебряная поверхность делала реакцию видимой, но также придавала ей неожиданную форму.
Микроскопия nc-AFM предоставила поразительное визуальное подтверждение механизмов, лежащих в основе этих синтетических органических химических реакций, и неожиданные результаты подтвердили перспективность этого нового мощного метода создания передовых наноразмерных электронных устройств снизу вверх.
Прежде чем в результате этого уникального подхода появятся гораздо более сложные графитовые наноструктуры, говорит Фишер, «впереди большие открытия».
Узнайте больше
Впервые в мире атомно-силовой микроскоп видит химические связи в отдельных молекулах (с видео)
Дополнительная информация:
«Прямая визуализация структуры ковалентной связи в одномолекулярных химических реакциях», Dimas G.
de Oteyza et al. Научный экспресс , 2013 г.
Информация журнала:
Научный экспресс
,
Наука
Предоставлено
Национальная лаборатория Лоуренса Беркли
Цитата :
Первые в мире изображения молекулы в высоком разрешении, когда она разрывает и восстанавливает химические связи (30 мая 2013 г.)
получено 5 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2013-05-first-ever-high-resolution-images-molecule-reforms.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Первые фотографии одиночного атома | БиоНаука
Фильтр поиска панели навигации
BioScienceThis issueEnvironmentScience and MathematicsBooksJournalsOxford Academic
Термин поиска мобильного микросайта
Закрыть
Фильтр поиска панели навигации
BioScienceThis issueEnvironmentScience and MathematicsBooksJournalsOxford Academic
Термин поиска на микросайте
Расширенный поиск
Журнальная статья
Получить доступ
Карен Дж.
Флинг
Карен Дж. Флинг
Ищите другие работы этого автора на:
Оксфордский академический
Google ученый
BioScience , том 20, выпуск 16, август 1970 г., стр. 918, https://doi.org/10.2307/1295589
Опубликовано:
01 августа 1970 г.
- Содержание статьи
- Рисунки и таблицы
- видео
- Аудио
- Дополнительные данные
Цитировать
Процитируйте
Карен Дж.
Флинг, Первые фотографии одиночного атома, BioScience , том 20, выпуск 16, август 1970 г., стр. 918, https://doi.org/10.2307/1295589
Выберите формат
Выберите format.ris (Mendeley, Papers, Zotero).enw (EndNote).bibtex (BibTex).txt (Medlars, RefWorks)
Закрыть
Разрешения
- Электронная почта
- Твиттер
- Фейсбук
- Подробнее
Фильтр поиска панели навигации
BioScienceThis issueEnvironmentScience and MathematicsBooksJournalsOxford Academic
Термин поиска мобильного микросайта
Закрыть
Фильтр поиска панели навигации
BioScienceThis issueEnvironmentScience and MathematicsBooksJournalsOxford Academic
Термин поиска на микросайте
Расширенный поиск
Предварительный просмотр первой страницы статьи PDF
Закрыть
Этот контент доступен только в формате PDF.
© 1970, Американский институт биологических наук
© 1970 Американского института биологических наук
Раздел выпусков:
Статьи и новости
В настоящее время у вас нет доступа к этой статье.
Скачать все слайды
Войти
Получить помощь с доступом
Получить помощь с доступом
Доступ для учреждений
Доступ к контенту в Oxford Academic часто предоставляется посредством институциональных подписок и покупок. Если вы являетесь членом учреждения с активной учетной записью, вы можете получить доступ к контенту одним из следующих способов:
Доступ на основе IP
Как правило, доступ предоставляется через институциональную сеть к диапазону IP-адресов. Эта аутентификация происходит автоматически, и невозможно выйти из учетной записи с IP-аутентификацией.
Войдите через свое учреждение
Выберите этот вариант, чтобы получить удаленный доступ за пределами вашего учреждения. Технология Shibboleth/Open Athens используется для обеспечения единого входа между веб-сайтом вашего учебного заведения и Oxford Academic.
- Щелкните Войти через свое учреждение.
- Выберите свое учреждение из предоставленного списка, после чего вы перейдете на веб-сайт вашего учреждения для входа в систему.
- Находясь на сайте учреждения, используйте учетные данные, предоставленные вашим учреждением. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
- После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.
Если вашего учреждения нет в списке или вы не можете войти на веб-сайт своего учреждения, обратитесь к своему библиотекарю или администратору.
Войти с помощью читательского билета
Введите номер своего читательского билета, чтобы войти в систему.
Если вы не можете войти в систему, обратитесь к своему библиотекарю.
Члены общества
Доступ члена общества к журналу достигается одним из следующих способов:
Войти через сайт сообщества
Многие общества предлагают единый вход между веб-сайтом общества и Oxford Academic. Если вы видите «Войти через сайт сообщества» на панели входа в журнале:
- Щелкните Войти через сайт сообщества.
- При посещении сайта общества используйте учетные данные, предоставленные этим обществом. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
- После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.
Если у вас нет учетной записи сообщества или вы забыли свое имя пользователя или пароль, обратитесь в свое общество.
Вход через личный кабинет
Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для предоставления доступа своим членам.
Смотри ниже.
Личный кабинет
Личную учетную запись можно использовать для получения оповещений по электронной почте, сохранения результатов поиска, покупки контента и активации подписок.
Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для предоставления доступа своим членам.
Просмотр учетных записей, вошедших в систему
Щелкните значок учетной записи в правом верхнем углу, чтобы:
- Просмотр вашей личной учетной записи и доступ к функциям управления учетной записью.
- Просмотр институциональных учетных записей, предоставляющих доступ.
Выполнен вход, но нет доступа к содержимому
Oxford Academic предлагает широкий ассортимент продукции. Подписка учреждения может не распространяться на контент, к которому вы пытаетесь получить доступ. Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этому контенту, обратитесь к своему библиотекарю.
Ведение счетов организаций
Для библиотекарей и администраторов ваша личная учетная запись также предоставляет доступ к управлению институциональной учетной записью. Здесь вы найдете параметры для просмотра и активации подписок, управления институциональными настройками и параметрами доступа, доступа к статистике использования и т. д.
Покупка
Стоимость подписки и заказ этого журнала
Варианты покупки книг и журналов в Oxford Academic
Кратковременный доступ
Чтобы приобрести краткосрочный доступ, войдите в свою учетную запись Oxford Academic выше.
У вас еще нет учетной записи Oxford Academic? регистр
Первые фотографии одиночного атома — 24-часовой доступ
ЕВРО €30,00
22 фунта стерлингов
39 долларов США.
Реклама
Цитаты
Альтметрика
Дополнительная информация о метриках
Оповещения по электронной почте
Оповещение об активности статьи
Предварительные уведомления о статьях
Оповещение о новой проблеме
Получайте эксклюзивные предложения и обновления от Oxford Academic
Ссылки на статьи по телефону
Последний
Самые читаемые
Самые цитируемые
От жары никуда не деться: стоимость вырубки лесов для здоровья человека и животных
Плюрализм в экологических исследованиях
Устойчивость коралловых рифов к горячей воде
Обмен сообщениями должен отражать нюансы взаимосвязи между изменением земель и риском зоонозных заболеваний
Достаточно ли активного обучения? Вклад обучения, ориентированного на неправильное представление, и дозы активного обучения в изучении учащимися эволюции
Реклама
Можем ли мы увидеть настоящие атомы и молекулы? Взгляд на электронную микроскопию
Универсальная проблема, которая занимает химиков с тех пор, как были созданы современные концепции «атома» и «молекулы», заключается в том, как на самом деле охарактеризовать молекулярные соединения, созданные человеком или обнаруженные в природе.
Но, можем ли мы увидеть настоящие атомы и молекулы?
Подтверждение фактической структуры молекулы до сих пор остается большой проблемой. Достижения в таких методах, как спектроскопия ЯМР (ядерно-магнитный резонанс) или дифракция рентгеновских лучей на монокристаллах, значительно помогли решить эту проблему.
1 Определение молекулярной структуры
2 Можем ли мы увидеть настоящие молекулы или атомы?
3 Наблюдение за движением атомов
4 Мальчик и его атом: фильм «Самый маленький в мире»
5 Непосредственное наблюдение за химическими реакциями
6 АСМ в определении структуры
7 Получение реальных изображений сложных химических реакций
8 Поиск «Святого Грааля» определения структуры
9 Это будущее химии?
Определение молекулярной структуры
Каждый месяц мы получаем отчеты о химических структурах, структура которых должна быть изменена или пересмотрена после проведения некоторых исследований (либо синтетических, либо просто основанных на методах характеризации).
В связи с этим стоит отметить разницу между научными моделями и реальностью.
Сложная химическая структура майтотоксина
По правде говоря, даже сегодня методы характеристики молекул, доступные для рутинного использования (которые объясняются в самой базовой химической библиографии), можно считать довольно рудиментарными и трудно интерпретируемыми для не- эксперты. Позвольте мне быть честным, я дипломированный химик-органик, и если бы мне пришлось взглянуть на спектры ЯМР сложного природного продукта, такого как майтотоксин, я бы, вероятно, понятия не имел, на что я смотрю.
Рентгеновская дифракция монокристалла, вероятно, является самым близким методом для простой визуализации структуры молекулы в 3D. Однако это не пуленепробиваемый метод. Подготовка образцов (выращивание монокристаллов), необходимая для этого непрямого метода, делает его бесполезным для широкого круга химических соединений.
Можем ли мы увидеть настоящие молекулы или атомы?
Соответственно, я бы сказал, что к сегодняшнему дню уже должен быть метод, позволяющий сделать прямую микроскопическую «картинку» любого понравившегося соединения и тут же визуализировать его структуру на экране.
Очевидно, мы еще не совсем там (что касается «любого соединения», продолжайте читать). Однако ответ может прийти под названием атомная микроскопия и все ее разновидности.
Блок-схема атомно-силовой микроскопии
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) или сканирующая силовая микроскопия (ССМ) представляет собой метод зондовой микроскопии с очень высоким разрешением. Это позволяет нам на самом деле «видеть» или «делать реальные снимки» в нанометровом масштабе, в котором находится молекулярное царство. Картинка стоит 1000 слов. В приведенном ниже примере ученые используют этот метод для получения изображений соединения, называемого диимидом нафталинтетракарбоновой кислоты. Мы действительно можем увидеть настоящую молекулу.
Кредит П. Мориарти и его коллегам (Карта силового поля сборки с водородными связями. doi: 10.1038/ncomms4931)
Гораздо позже исследователи из Оксфорда и IBM использовали STM-AFM для создания и визуализации на месте первого циклического аллотропа. углерода, цикло[18]углерод.
Видение атомов в движении
Мир визуализации на атомном уровне совершил скачок более десяти лет назад. В 2008 году исследовательская группа впервые сообщила о визуализации легких атомов и молекул на графене. Впоследствии той же команде удалось впервые наблюдать реальное движение изолированных атомов графена в режиме реального времени. Следующий фильм от команды Беркли показывает рост дыры в графеновом листе. В этом эксперименте пучок электронов фокусируется в определенном месте на графеновом листе, выдувая сфокусированные атомы углерода, образуя дыру. Кроме того, также можно наблюдать, как атомы углерода перестраиваются (реконструкция ребер), чтобы приспособиться к более стабильной конфигурации.
Кредит А. Зеттлу и его коллегам (Графен на краю: стабильность и динамика, doi: 10.1126/science.1166999).
Мальчик и его атом: самый маленький фильм в мире
Мировой рекорд Гиннеса как «Самый маленький покадровый фильм» принадлежит фильму, снятому учеными IBM. Иногда нанофизикам тоже нужно немного развлечься, и они решили «снять» фильм с помощью сканирующей туннельной микроскопии, результат — в следующем видео:
С помощью этой техники перемещать множество молекул углекислого газа, следуя их воле. В результате получается фильм, который можно увидеть только под микроскопом, увеличивающим его в сто миллионов раз.
Непосредственное наблюдение за химическими реакциями
Очевидно, научному сообществу было недостаточно фотографировать молекулы и атомы. Если мы перенесемся в 2013 год, атомная микроскопия, точнее, бесконтактная атомно-силовая микроскопия, позволила напрямую визуализировать молекулярные структуры во время химической реакции. Некоторые результаты этих экспериментов, опубликованные в журнале Science, представлены ниже. Мы не можем видеть только настоящие молекулы атомов, мы можем непосредственно наблюдать химические реакции!
Кредит Ф. Р. Фишеру и его коллегам (Прямая визуализация структуры ковалентной связи в одномолекулярных химических реакциях, doi: 10. 1126/science.1238187)
АСМ в определении структуры С течением времени постоянно сообщается о все большем количестве примеров применения этого набора физических методов. Уровень, на котором можно наблюдать исследуемые молекулы, впечатляет. Недавним примером является фактическое определение структуры природного соединения, брайтфуссина А. Несколько функциональных групп молекулы были получены из классических спектроскопических данных (а). Затем АСМ-изображение (в) позволило наблюдать реальную структуру молекулы, размещая каждый фрагмент головоломки (а) в правильном месте. Это установило ранее неизвестную структуру молекулы (б).
Кредит M. Jaspars, J. Isaksson и коллегам (Комбинированный атомно-силовой микроскопии и вычислительный подход к структурному выяснению Breitfussin A и B: высокомодифицированные галогенированные дипептиды из Thuiaria breitfussi, doi: 10.1002/anie.201203960)
Принимая реальный изображения сложных химических реакций
Что касается реактивности, то гораздо позже появилась возможность напрямую изобразить ход реакции, называемой циклизацией Бергмана. Это одна из самых увлекательных перегруппировок в химии. Химическое превращение непосредственно индуцируется на поверхности металла, на которой проводится процедура атомной микроскопии.
Кредит Л. Гроссу и сотрудникам (обратимая циклизация Бергмана с помощью атомных манипуляций, doi: 10.1038/nchem.2438).
Однако, как указано в конце введения, не каждая молекула или реакция может быть кандидатом на исследование СТМ. Необходимо выполнить несколько условий. Один из них (который, возможно, уже привлек ваше внимание) заключается в том, что анализируемые соединения должны быть почти плоскими. Эти методы основаны на осаждении молекул соединения на плоской металлической поверхности, поэтому именно плоские молекулы дают более интерпретируемые данные.
В поисках «Святого Грааля» структурного определения
В завершение этого короткого эссе, которое не отражает всей области молекулярной визуализации, мы обсудим недавнее применение так называемой микроэлектронной дифракции (MicroED). . Это блестящее применение дифракции электронов позволяет преодолеть, вероятно, самую большую проблему классических методов дифракции рентгеновских лучей: требование кристаллического материала молекулы, структуру которой необходимо выяснить.
Кредит Б. М. Штольцу, Дж. А. Родригесу, Х. М. Нельсону, Т. Гонену и сотрудникам (Метод CryoEM MicroED как мощный инструмент для определения структуры малых молекул, doi: 10.1021/acscentsci.8b00760).
Эта методика позволяет принимать простые
порошок любого некристаллического твердого вещества практически без пробоподготовки, и
получение трехмерных структур порошковых нанокристаллов за считанные минуты, с
чрезвычайно высокие разрешения. Структура молекул с очень высокой сложностью,
как тиострептон, можно было получить однозначно.
Кредит Т. Гонен и его коллегам (doi: 10.1021/acscentsci.8b00760).
Это будущее химии?
Можем ли мы сейчас увидеть настоящие атомы и молекулы? Я бы сказал, что мы определенно можем. Все результаты, описанные в этой статье, были опубликованы только за последнее десятилетие. Атомная микроскопия, похоже, никуда не денется, и она может стать одним из инструментов, который, наконец, позволит химикам перестать полагаться на рудиментарные методы определения молекулярных структур. Время покажет.
Следите за новостями о будущем химии, делитесь ими и оставляйте свои мысли в разделе комментариев!
Методология атомарного проектирования | Atomic Design Брэд Фрост
Мои поиски методологии создания систем дизайна интерфейсов привели меня к поиску вдохновения в других областях и отраслях. Учитывая этот удивительно сложный мир, который мы создали, казалось вполне естественным, что другие области решали бы аналогичные проблемы, из которых мы могли бы извлечь уроки и применить их. Как оказалось, множество других областей, таких как промышленный дизайн и архитектура, разработали интеллектуальные модульные системы для производства чрезвычайно сложных объектов, таких как самолеты, корабли и небоскребы.
Но мои первоначальные исследования продолжали возвращаться к миру природы, что вызывало воспоминания о том, как я сидел за расшатанной партой в химической лаборатории старшей школы.
Принимая во внимание химию
Химию в старшей школе вел серьезный ветеран Вьетнама с необычайно внушительными усами. Класс г-на Рэя имел репутацию одного из самых трудных классов в школе, в основном из-за задания, которое требовало от учеников сбалансировать сотни и сотни химических уравнений, содержащихся в массивном рабочем листе.
Если вы похожи на меня, вам может понадобиться немного освежить в памяти, как выглядит химическое уравнение, так что вот:
Пример химического уравнения, показывающего, что атомы водорода и кислорода объединяются вместе, образуя молекулу воды.
Химические реакции представлены химическими уравнениями, которые часто показывают, как атомарные элементы соединяются вместе, образуя молекулы. В приведенном выше примере мы видим, как водород и кислород соединяются вместе, образуя молекулы воды.
В мире природы, атомных элементов соединяются вместе, образуя молекулы. Эти молекулы могут объединяться дальше, образуя относительно сложные организмы. Чтобы пояснить немного дальше:
- Атомы являются основными строительными блоками всей материи. Каждый химический элемент имеет определенные свойства, и их нельзя разбить на части, не теряя своего значения. (Да, это правда, что атомы состоят из еще более мелких частиц, таких как протоны, электроны и нейтроны, но атомы — это самые маленькие функциональных шт.)
- Молекулы представляют собой группы из двух или более атомов, удерживаемых вместе химическими связями. Эти комбинации атомов приобретают свои уникальные свойства и становятся более осязаемыми и функциональными, чем атомы.
- Организмы представляют собой наборы молекул, функционирующих вместе как единое целое. Эти относительно сложные структуры могут варьироваться от одноклеточных организмов до невероятно сложных организмов, таких как люди.
Конечно, я упрощаю невероятно богатый состав Вселенной, но основная суть остается неизменной: атомы соединяются вместе, образуя молекулы, которые в дальнейшем объединяются, образуя организмы. Эта атомная теория означает, что вся материя в известной Вселенной может быть разбита на конечный набор атомарных элементов:
Периодическая таблица химических элементов.
Очевидно, стратегия г-на Рэя, заключающаяся в том, чтобы заставить студентов ошеломляюще балансировать тонны химических уравнений, сработала, потому что я возвращаюсь к ней все эти годы спустя, чтобы вдохновиться тем, как подойти к дизайну интерфейса.
К настоящему времени вы, наверное, задаетесь вопросом, почему мы говорим об атомной теории, и, возможно, вы даже немного злитесь на меня за то, что я заставил вас пережить воспоминания о школьном уроке химии. Но это куда-то пойдет, я обещаю.
Ранее мы обсуждали, как всю материю во Вселенной можно разбить на конечный набор атомарных элементов. Как оказалось, наши интерфейсы можно разбить на похожий конечный набор элементов. Периодическая таблица HTML-элементов Джоша Дака прекрасно объясняет, как все наши веб-сайты, приложения, интрасети, хубадибупы и все остальное состоят из одних и тех же HTML-элементов.
Периодическая таблица HTML-элементов Джоша Дака.
Поскольку мы начинаем с аналогичного конечного набора строительных блоков, мы можем применить тот же процесс, который происходит в естественном мире, для проектирования и разработки наших пользовательских интерфейсов.
Войти в атомарный дизайн.
Атомарный дизайн представляет собой методологию, состоящую из пяти отдельных этапов, работающих вместе для создания систем проектирования интерфейсов более продуманным и иерархическим образом. Пять этапов атомной конструкции:
- Атомы
- Молекулы
- Организмы
- Шаблоны
- страницы
Атомарный дизайн — это атомы, молекулы, организмы, шаблоны и страницы, которые одновременно работают вместе для создания эффективных систем дизайна интерфейса.
9. Каждый из пяти этапов играет ключевую роль в иерархии наших систем проектирования интерфейсов. Давайте углубимся в каждый этап немного подробнее.
Атомы
Если атомы являются основными строительными блоками материи, то атомов наших интерфейсов служат основными строительными блоками, из которых состоят все наши пользовательские интерфейсы . Эти атомы включают в себя основные элементы HTML, такие как метки форм, поля ввода, кнопки и другие, которые нельзя разбить на части, не переставая быть функциональными.
Атомы включают в себя основные теги HTML, такие как поля ввода, метки и кнопки.
Каждый атом в мире природы обладает своими уникальными свойствами. Атом водорода содержит один электрон, а атом гелия — два. Эти внутренние химические свойства сильно повлияли на их применение (например, взрыв Гинденбурга был настолько катастрофическим, потому что дирижабль был заполнен чрезвычайно легковоспламеняющимся газообразным водородом, а не инертным газообразным гелием). Точно так же каждый атом интерфейса имеет свои уникальные свойства, такие как размеры основного изображения или размер шрифта основного заголовка. Эти врожденные свойства влияют на то, как каждый атом должен применяться к более широкой системе пользовательского интерфейса.
В контексте библиотеки паттернов атомы демонстрируют все ваши базовые стили с первого взгляда, что может быть полезным справочником, к которому можно постоянно возвращаться при разработке и обслуживании системы проектирования. Но, как и атомы в естественном мире, атомы интерфейса не существуют в вакууме и по-настоящему оживают только при применении.
Молекулы
В химии молекулы представляют собой группы атомов, связанных вместе, которые приобретают новые отчетливые свойства. Например, молекулы воды и молекулы перекиси водорода обладают своими уникальными свойствами и ведут себя совершенно по-разному, хотя состоят из одних и тех же атомных элементов (водорода и кислорода).
В интерфейсах молекулы представляют собой относительно простые группы элементов пользовательского интерфейса, функционирующих вместе как единое целое . Например, метка формы, поле поиска и кнопка могут быть объединены в молекулу формы поиска.
Молекула формы поиска состоит из атома метки, атома ввода и атома кнопки.
При объединении эти абстрактные атомы внезапно обретают цель. Атом метки теперь определяет входной атом. Нажатие на атом кнопки теперь отправляет форму. Результатом стал простой, портативный, многоразовый компонент, который можно использовать везде, где требуется функциональность поиска.
Сборка элементов в простые функционирующие группы — это то, что мы всегда делали для создания пользовательских интерфейсов. Но выделение этапа в методологии атомарного проектирования этим относительно простым компонентам дает нам несколько ключевых идей.
Создание простых компонентов помогает дизайнерам и разработчикам пользовательского интерфейса придерживаться принципа единой ответственности, древнего принципа информатики, который поощряет менталитет «делай одно и делай это хорошо». Перегруженность одного шаблона слишком большой сложностью делает программное обеспечение громоздким. Таким образом, создание простых молекул пользовательского интерфейса упрощает тестирование, способствует повторному использованию и обеспечивает согласованность всего интерфейса.
Теперь у нас есть простые, функциональные, многоразовые компоненты, которые мы можем использовать в более широком контексте. Введите организмы!
Организмы
Организмы представляют собой относительно сложные компоненты пользовательского интерфейса, состоящие из групп молекул и/или атомов и/или других организмов . Эти организмы образуют отдельные участки интерфейса.
Давайте вернемся к нашей молекуле формы поиска. Форму поиска часто можно найти в заголовке многих веб-приложений, поэтому давайте поместим эту молекулу формы поиска в контекст организма заголовка.
Этот заголовочный организм состоит из молекулы формы поиска, атома логотипа и молекулы первичной навигации.
Заголовок формирует автономный раздел интерфейса, даже если он содержит несколько меньших частей интерфейса со своими уникальными свойствами и функциями.
Организмы могут состоять из одинаковых или разных типов молекул. Организм заголовка может состоять из непохожих элементов, таких как изображение логотипа, основной список навигации и форма поиска. Мы видим эти типы организмов почти на каждом веб-сайте, который посещаем.
Организмы, такие как заголовки веб-сайтов, состоят из более мелких молекул, таких как основная навигация, формы поиска, служебная навигация и логотипы.
В то время как некоторые организмы могут состоять из разных типов молекул, другие организмы могут состоять из одной и той же молекулы, повторяющейся снова и снова. Например, посетите страницу категории практически любого веб-сайта электронной коммерции, и вы увидите список продуктов, отображаемых в виде сетки.
Организм продуктовой сетки на веб-сайте электронной коммерции Gap состоит из одной и той же молекулы продукта, повторяющейся снова и снова.
Переход от молекул к более сложным организмам дает дизайнерам и разработчикам важное ощущение контекста. Организмы демонстрируют эти более мелкие и простые компоненты в действии и служат в качестве отдельных шаблонов, которые можно использовать снова и снова. Организм сетки продуктов можно использовать везде, где необходимо отобразить группу продуктов, от списков категорий до результатов поиска и связанных продуктов.
Теперь, когда у нас есть организмы, определенные в нашей системе проектирования, мы можем прервать аналогию с химией и применить все эти компоненты к чему-то, что напоминает веб-страницу!
Шаблоны
А теперь, друзья, пора попрощаться с нашей аналогией с химией. Язык атомов, молекул и организмов несет в себе полезную иерархию, позволяющую нам сознательно создавать компоненты наших систем дизайна. Но в конечном итоге мы должны перейти к языку, который больше подходит для нашего конечного результата и имеет больше смысла для наших клиентов, начальников и коллег. Попытка зайти слишком далеко в аналогии с химией может сбить с толку ваших заинтересованных лиц и заставить их подумать, что вы немного сошли с ума. Поверьте мне.
Шаблоны — это объекты уровня страницы, которые размещают компоненты в макете и определяют базовую структуру содержимого дизайна. Чтобы продолжить наш предыдущий пример, мы можем взять организм заголовка и применить его к шаблону домашней страницы.
Шаблон домашней страницы состоит из организмов и молекул, нанесенных на макет.
Этот шаблон домашней страницы отображает все необходимые компоненты страницы, функционирующие вместе, что обеспечивает контекст для этих относительно абстрактных молекул и организмов . При создании эффективной дизайн-системы очень важно продемонстрировать, как компоненты выглядят и функционируют вместе в контексте макета, чтобы доказать, что части составляют хорошо функционирующее целое. Мы обсудим это позже.
Еще одной важной характеристикой шаблонов является то, что они фокусируются на базовой структуре содержимого страницы , а не на конечном содержимом страницы. Дизайн-системы должны учитывать динамическую природу контента, поэтому очень полезно сформулировать важные свойства компонентов, такие как размеры изображений и длину символов для заголовков и текстовых фрагментов.
Марк Боултон обсуждает важность определения базовой структуры содержимого страницы:
Вы можете создавать хорошие впечатления, не зная содержания. Чего вы не можете сделать, так это создать хороший опыт, не зная структуры вашего контента. Из чего ваш контент сделал , а не из того, что ваш контент является . Марк Боултон
Определив скелет страницы, мы можем создать систему, которая может учитывать разнообразный динамический контент, обеспечивая при этом необходимые ограничения для типов контента, которые используются в определенных шаблонах проектирования. Например, шаблон домашней страницы для Time Inc. показывает несколько ключевых компонентов в действии, а также демонстрирует структуру контента в отношении размеров изображений и длины символов:
Шаблон домашней страницы Time Inc. демонстрирует основную структуру контента.
Теперь, когда мы установили скелетную систему наших пажей, давайте наложим немного мяса на их кости!
Страницы
Страницы — это конкретные экземпляры шаблонов, которые показывают, как выглядит пользовательский интерфейс с реальным репрезентативным содержимым . Опираясь на наш предыдущий пример, мы можем взять шаблон домашней страницы и добавить в него репрезентативный текст, изображения и мультимедиа, чтобы показать реальный контент в действии.
Этап страницы заменяет замещающий контент реальным репрезентативным контентом, чтобы оживить дизайн-систему.
Этап страницы — наиболее конкретный этап атомарного проектирования, и он важен по ряду довольно очевидных причин. В конце концов, это то, что пользователи увидят и с чем будут взаимодействовать, когда посетят ваш опыт. Это то, что ваши заинтересованные стороны подпишут. И здесь вы видите, как все эти компоненты объединяются, чтобы сформировать красивый и функциональный пользовательский интерфейс. Захватывающе!
В дополнение к демонстрации окончательного интерфейса, как его увидят ваши пользователи, страницы необходимы для тестирования эффективности базовой системы проектирования . Именно на этапе страницы мы можем посмотреть, как все эти шаблоны работают, когда реальный контент применяется к системе дизайна. Все ли выглядит отлично и работает как надо? Если ответ отрицательный, то мы можем вернуться назад и изменить наши молекулы, организмы и шаблоны, чтобы лучше удовлетворить потребности нашего контента.
Когда мы загружаем реальный репрезентативный контент в шаблон домашней страницы Time Inc., мы можем увидеть, как выдерживаются все эти лежащие в основе шаблоны дизайна.
На этапе страницы мы можем увидеть, как выглядит домашняя страница Time Inc. с реальным репрезентативным содержанием. Имея фактический контент, мы можем увидеть, правильно ли компоненты пользовательского интерфейса, составляющие страницу, обслуживают вливаемый в них контент.
Мы должны создавать системы, которые устанавливают повторно используемые шаблоны проектирования, а также точно отражают реальность контента, который мы помещаем внутрь этих шаблонов.
Страницы также предоставляют место для описания вариантов шаблонов , что имеет решающее значение для создания надежных и надежных систем проектирования. Вот лишь несколько примеров вариантов шаблона:
- У пользователя есть один товар в корзине, а у другого пользователя десять товаров.
- Панель мониторинга веб-приложения обычно показывает недавнюю активность, но этот раздел скрыт для новых пользователей.
- Заголовок одной статьи может иметь длину 40 символов, а заголовок другой статьи — 340 символов.
- Пользователи с правами администратора могут видеть дополнительные кнопки и параметры на панели управления по сравнению с пользователями, не являющимися администраторами.
Во всех этих примерах базовые шаблоны одинаковы, но пользовательские интерфейсы изменяются, чтобы отразить динамический характер контента. Эти вариации напрямую влияют на то, как строятся основные молекулы, организмы и шаблоны. Таким образом, создание страниц, учитывающих эти варианты, помогает нам создавать более устойчивые дизайн-системы.
Так это атомный дизайн! Эти пять отдельных этапов одновременно работают вместе для создания эффективных систем проектирования пользовательского интерфейса. Подводя итог атомарному дизайну в двух словах:
- Атомы — это элементы пользовательского интерфейса, которые не могут быть разбиты дальше и служат элементарными строительными блоками интерфейса.
- Молекулы — это наборы атомов, которые образуют относительно простые компоненты пользовательского интерфейса.
- Организмы являются относительно сложными компонентами, которые образуют отдельные разделы интерфейса.
- Шаблоны размещают компоненты в макете и демонстрируют базовую структуру содержимого дизайна.
- Страницы применяют реальный контент к шаблонам и формулируют варианты, чтобы продемонстрировать окончательный пользовательский интерфейс и проверить устойчивость системы проектирования.
Так зачем заниматься всей этой чепухой? Чем хорош атомный дизайн? Это правильные вопросы, учитывая, что мы уже давно создаем пользовательские интерфейсы, не имея четкой пятиэтапной методологии. Но атомарный дизайн дает нам несколько ключевых идей, которые помогают нам создавать более эффективные и продуманные системы дизайна пользовательского интерфейса.
Часть и целое
Одним из самых больших преимуществ атомарного дизайна является возможность быстрого переключения между абстрактным и конкретным. Мы можем одновременно видеть, как наши интерфейсы разбиваются на их атомарные элементы, а также видеть, как эти элементы объединяются вместе, чтобы сформировать наш окончательный опыт.
Атомарный дизайн позволяет дизайнерам переходить от абстрактного к конкретному.
В своей книге The Shape of Design Фрэнк Чимеро прекрасно описывает силу, которую дает этот обход:
Художник, находясь на расстоянии от мольберта, может оценить и проанализировать всю работу с этой точки зрения. Он внимательно изучает и слушает, выбирает следующий штрих, затем подходит к холсту, чтобы сделать его. Затем он снова делает шаг назад, чтобы посмотреть, что он сделал по отношению к целому. Это танец переключения контекстов, ритмичный стук по студии, создающий тесную петлю обратной связи между выставлением оценок и их оценкой. Фрэнк Чимеро
Атомарный дизайн позволяет нам танцевать между контекстами, как это красноречиво описывает художник Фрэнк. Атомы, молекулы и организмы, составляющие наши интерфейсы, не живут в вакууме. А шаблоны и страницы наших интерфейсов действительно состоят из более мелких частей. Части нашего дизайна влияют на целое, а целое влияет на части. Они взаимосвязаны, и атомный дизайн учитывает этот факт.
Когда дизайнеры и разработчики создают определенный компонент, мы подобны художнику на холсте, создающем детализированные мазки. Когда мы рассматриваем эти компоненты в контексте макета с реальным репрезентативным содержанием, мы подобны художнику, который в нескольких футах от холста оценивает, как их подробные мазки влияют на всю композицию. Необходимо сосредоточиться на одном конкретном компоненте, чтобы убедиться, что он функциональный, удобный и красивый. Но также необходимо убедиться, что компонент функционален, удобен и красив в контексте окончательного пользовательского интерфейса .
Атомарный дизайн предоставляет нам структуру для навигации между частями и всем нашим пользовательским интерфейсом, поэтому очень важно повторить, что атомарный дизайн не является линейным процессом . Было бы глупо разрабатывать кнопки и другие элементы по отдельности, а затем скрестить пальцы и надеяться, что все соберется в единое целое. Так что не интерпретируйте пять этапов атомной конструкции как «Шаг 1: атомы; Шаг 2: молекулы; Шаг 3: организмы; Шаг 4: шаблоны; Шаг 5: страницы». Вместо этого думайте об этапах атомарного проектирования как о ментальной модели, которая позволяет нам одновременно создавать окончательные пользовательские интерфейсы и лежащие в их основе системы проектирования .
Четкое разделение между структурой и содержимым
Обсуждение дизайна и содержания немного похоже на обсуждение курицы и яйца . Марк Боултон объясняет:
Контент должен быть структурирован, а структурирование меняет контент, дизайн меняет контент. Это не «контент, затем дизайн» или «контент или дизайн». Это «контент и дизайн». Марк Боултон
Хорошо продуманная система дизайна обслуживает контент, который находится внутри нее, а хорошо продуманный контент учитывает, как он представлен в контексте пользовательского интерфейса. Шаблоны интерфейса, которые мы устанавливаем, должны точно отражать характер текста, изображений и другого контента, который находится внутри них. Точно так же наш контент должен учитывать способ его представления. Тесная связь между контентом и дизайном требует, чтобы мы учитывали и то, и другое при создании наших пользовательских интерфейсов.
Атомарный дизайн дает нам язык для обсуждения структуры наших шаблонов пользовательского интерфейса, а также контента, который входит в эти шаблоны. Несмотря на четкое разделение между каркасом структуры контента (шаблоны) и конечным контентом (страницами), атомарный дизайн признает, что они очень сильно влияют друг на друга. Возьмем, к примеру, следующий пример:
Слева мы видим скелет контента пользовательского интерфейса, который состоит из одной и той же молекулы блока человек , повторяющейся снова и снова. Справа мы видим, что происходит, когда мы заполняем каждый экземпляр молекулы блока человека репрезентативным содержимым. Визуализация скелета контента и репрезентативного конечного контента позволяет нам создавать шаблоны, точно отражающие контент, который находится внутри них. Если бы имя человека занимало пять строк в шаблоне, нам нужно было бы устранить это нарушенное поведение на более атомарном уровне.
Содержимое, которое мы добавляем в наши пользовательские интерфейсы на этапе страницы, будет влиять на характеристики и параметры базовых шаблонов проектирования.
Что в имени?
На протяжении всей этой книги я упоминал, что модульное проектирование и разработка не являются чем-то новым. Так почему же мы вводим такие термины, как атомов , молекул и организмов , когда мы можем просто придерживаться устоявшихся терминов, таких как модулей , компонентов , элементов , разделы и регионы ?
Пока я говорю об атомном дизайне, люди предлагают альтернативные названия для этапов методологии. Первый человек предложил бы: «Почему бы просто не назвать их элементами, модулями и компонентами?» в то время как второй человек предлагал: «Почему бы просто не назвать их базой, компонентами и модулями?» Проблема с такими терминами, как компоненты и модули, заключается в том, что чувство иерархии не может быть выведено только из названий. Атомы, молекулы и организмы подразумевают иерархию , что любой, у кого есть базовые знания по химии, может разобраться.
При этом называть вещи сложно и несовершенно. Имена, которые я выбрал для этапов атомарного дизайна, очень хорошо подошли мне и командам, с которыми я работал, когда мы создавали системы дизайна пользовательского интерфейса. Но, возможно, они не работают для вас и вашей организации. Это более чем нормально. Вот одна точка зрения от команды разработчиков GE:
.
Когда мы показывали нашим коллегам нашу первоначальную концепцию системы проектирования, в которой использовалась таксономия Atomic Design, мы были встречены смущенными взглядами. […] Доказательства были ясны, чтобы это было успешным в нашей организации, нам нужно было сделать таксономию более доступной. Джефф Кроссман, GE Design
Таксономия, на которой остановилась команда, была «Принципы», «Основы», «Компоненты», «Шаблоны», «Функции» и «Приложения». Эти ярлыки имеют для вас смысл? Это не имеет значения. Установив таксономию, которая имела смысл для их организации, каждый смог присоединиться к принципам атомарного проектирования и эффективно работать вместе.
Модное слово «атомарный дизайн» воплощает в себе концепции модульного проектирования и разработки, что становится полезным сокращением для убеждения заинтересованных сторон и общения с коллегами. Но атомный дизайн не является жесткой догмой . В конечном счете, какую бы таксономию вы ни выбрали для работы, она должна помочь вам и вашей организации более эффективно взаимодействовать, чтобы создать потрясающую систему дизайна пользовательского интерфейса.
Атомарный дизайн — это концепция, рожденная в Интернете. В конце концов, ваш непритязательный автор — веб-дизайнер, и именно поэтому в этой книге основное внимание уделяется веб-интерфейсам. Но важно понимать, что атомарный дизайн применим ко всем пользовательским интерфейсам, а не только к веб-интерфейсам.
Вы можете применить методологию атомарного дизайна к пользовательскому интерфейсу любого программного обеспечения: Microsoft Word, Keynote, Photoshop, банкомата вашего банка и т. д. Чтобы продемонстрировать, давайте применим атомарный дизайн к нативному мобильному приложению Instagram.
Атомарный дизайн применен к нативному мобильному приложению Instagram.
Давайте пройдемся по этому атомарному интерфейсу Instagram:
- Atoms : Этот экран пользовательского интерфейса Instagram состоит из нескольких значков, некоторых текстовых элементов и двух типов изображений: основного изображения и изображения аватара пользователя.
- Molecules : Несколько значков образуют простые утилитарные компоненты, такие как нижняя панель навигации и панель действий с фотографиями, где пользователи могут поставить лайк или прокомментировать фотографию. Кроме того, простые комбинации текста и/или изображений образуют относительно простые компоненты.
- Организмы : Здесь мы видим, как формируется фотоорганизм, который состоит из информации пользователя, отметки времени, самой фотографии, действий вокруг этой фотографии и информации о фотографии, включая количество лайков и подпись. Этот организм становится краеугольным камнем всего опыта Instagram, поскольку он многократно складывается в бесконечный поток фотографий, созданных пользователями.
- Шаблоны : Мы видим, как наши компоненты объединяются в контексте макета. Кроме того, именно здесь мы видим открытый скелет контента в Instagram, выделяя динамический контент, такой как дескриптор пользователя, аватар, фото, количество лайков и подпись.
- Страницы : И, наконец, мы видим конечный продукт с добавленным в него реальным контентом, который помогает гарантировать, что базовая система дизайна объединяется для формирования красивого и функционального пользовательского интерфейса.
Я показываю этот не веб-пример, потому что атомарный дизайн имеет тенденцию неправильно интерпретироваться как подход к веб-технологиям, таким как CSS и JavaScript. Позвольте мне внести ясность: атомарный дизайн не имеет ничего общего с веб-темами, такими как CSS или архитектура JavaScript . В главе 1 мы обсуждали тенденцию к модульности во всех аспектах дизайна и разработки, включая CSS и JavaScript. Это фантастические тенденции в CSS и JavaScript, но атомарный дизайн имеет дело с созданием систем дизайна пользовательского интерфейса независимо от технологии, используемой для их создания.
В этой главе была представлена методология атомарного проектирования и показано, как атомы, молекулы, организмы, шаблоны и страницы работают вместе для создания продуманных, преднамеренных систем проектирования интерфейсов. Атомарный дизайн позволяет нам видеть, как наши пользовательские интерфейсы разбиваются на их атомарные элементы, а также позволяет нам одновременно проходить через то, как эти элементы соединяются вместе, чтобы сформировать наши окончательные пользовательские интерфейсы. Мы узнали о тесной связи между контентом и дизайном и о том, как атомарный дизайн позволяет нам создавать дизайн-системы, адаптированные к контенту, который живет внутри них. И, наконец, мы узнали, как язык атомарного дизайна дает нам полезную стенограмму для обсуждения модульности с нашими коллегами и обеспечивает столь необходимое чувство иерархии в наших системах проектирования.
Атомарный дизайн — полезная методология проектирования и разработки, но по сути это просто ментальная модель для построения пользовательского интерфейса. К настоящему моменту вы, возможно, задаетесь вопросом, как вы реализуете атомный дизайн. Что ж, не бойтесь, дорогой читатель, потому что остальная часть книги посвящена инструментам и процессам, позволяющим воплотить в жизнь ваши мечты об атомном дизайне.
Движущиеся молекулы в твердом теле | Глава 1: Материя — твердые тела, жидкости и газы
- Скачать
- Электронная почта
- Печать
- Добавить в закладки или поделиться
Тебе это нравится? Не нравится ? Пожалуйста, найдите время, чтобы поделиться с нами своими отзывами. Спасибо!
Урок 1.
4
Ключевые понятия
- В твердом теле атомы сильно притягиваются друг к другу. Атомы вибрируют, но остаются в фиксированных положениях из-за сильного притяжения друг к другу.
- Нагрев твердого тела увеличивает движение атомов.
- Увеличение движения атомов конкурирует с притяжением между атомами и заставляет их немного отдаляться друг от друга.
- Охлаждение твердого тела уменьшает движение атомов.
- Уменьшение движения атомов позволяет притяжению между атомами немного сблизить их.
Резюме
Учащиеся увидят демонстрацию с металлическим шаром и кольцом, показывающую, что тепло заставляет атомы разлетаться немного дальше друг от друга. Они также увидят, что охлаждение твердого тела заставляет атомы немного сближаться. Те же самые правила, которые они открыли для жидкостей, применимы и к твердым телам.
Цель
Основываясь на своих наблюдениях, учащиеся описывают на молекулярном уровне, как нагрев и охлаждение влияют на движение атомов в твердом теле.
Оценка
Загрузите лист с заданиями учащегося и раздайте по одному учащемуся, если это указано в задании. Рабочий лист будет служить компонентом «Оценить» каждого плана урока 5-E.
Безопасность
Убедитесь, что вы и учащиеся носите подходящие защитные очки.
Материалы для демонстрации
- Шарик и кольцо, разработанные специально для этой демонстрации]
- Горелка Бунзена для нагревания шара
- Вода комнатной температуры (для охлаждения мяча)
Примечания о материалах
Металлический шар и кольцо можно приобрести у Sargent Welch (WL1661-10) или Flynn Scientific (AP9031) или у других поставщиков.
Об этом уроке
Твердое тело, изучаемое в этом уроке, представляет собой металл. Металл состоит из отдельных атомов, а не из молекул, как вода и спирт, о которых учащиеся узнали на уроках 1–3. Хотя атомы и молекулы разные, мы будем представлять атомы так же, как мы представляли молекулы, используя круг или сферу. Это простое представление поможет учащимся сосредоточиться на движении и положении частиц при их нагревании и охлаждении.
Проанализируйте, что учащиеся узнали о молекулах в жидкости, и обсудите, применимы ли эти же идеи и к твердым телам.
Спросите студентов:
- Что вы знаете о молекулах в жидкости?
- Убедитесь, что учащиеся понимают, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу, но могут двигаться мимо друг друга.
- Как нагревание или охлаждение влияет на скорость молекул и расстояние между ними?
- Нагрев ускоряет движение молекул, а охлаждение замедляет. Мы также видели, что ускорение молекул заставляет их двигаться немного дальше друг от друга, а замедление позволяет им двигаться немного ближе друг к другу.
Спросите учащихся, относятся ли эти утверждения также к твердым телам:
- Как вы думаете, атомы в твердом теле притягиваются друг к другу?
- Студенты, вероятно, поймут, что атомы твердого тела притягиваются друг к другу. Объясните, что именно так твердое тело остается вместе.
- Как вы думаете, нагрев или охлаждение твердого тела может повлиять на движение атомов?
- Учащиеся должны понимать, что при нагревании твердого тела атомы или молекулы движутся быстрее и удаляются друг от друга. Если вы охладите твердое тело, молекулы будут двигаться медленнее и сблизятся.
Покажите анимацию, чтобы помочь учащимся сравнить атомы и молекулы в твердых и жидких телах.
Объясните, что маленькие шарики представляют собой твердые частицы, в данном случае атомы металла. Хотя атомы и молекулы различны, для обоих используется одна и та же простая модель шаров. Сообщите учащимся, что пока они будут использовать круги или сферы для представления атомов и молекул, но со временем они будут использовать более подробную модель. Скажите учащимся, что они должны сосредоточиться на движении молекул, на том, как они взаимодействуют, и на их расстоянии друг от друга.
Показать анимацию молекулярной модели Particles of a Solid.
Укажите следующее о твердых телах:
- Частицы (атомы или молекулы) притягиваются друг к другу.
- Частицы (атомы или молекулы) колеблются, но не движутся мимо друг друга.
- Твердое тело сохраняет свою форму.
Показать анимацию молекулярной модели Сравнение твердого тела и жидкости.
Нажмите на обе вкладки и убедитесь, что учащиеся замечают различия в движении атомов и молекул.
- Атомы в твердом теле настолько притягиваются друг к другу, что вибрируют и не движутся мимо друг друга.
- Молекулы жидкости притягиваются друг к другу, но движутся более свободно и обходят друг друга.
Раздайте каждому учащемуся лист с заданиями.
Учащиеся записывают свои наблюдения и отвечают на вопросы об анимации в листе с заданиями. Разделы «Объясните это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это» Дальнейшие разделы рабочего листа будут выполняться в классе, в группах или индивидуально в зависимости от ваших инструкций.
Посмотрите на версию листа с заданиями для учителя, чтобы найти вопросы и ответы.Продемонстрируйте, что твердый металл расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении.
Труднее показать, что молекулы твердого тела при нагревании движутся быстрее, чем показать то же самое с жидкостью, как в уроке 2. Но вы можете это сделать, если у вас есть специальный шар и кольцо, показывающий расширение металла при нагревании. Это недорогое устройство, доступное через компании, занимающиеся научно-образовательным оборудованием, состоит из стержня с металлическим шариком на конце и другого стержня с металлическим кольцом. При комнатной температуре мяч едва проходит через кольцо. Но когда шар достаточно нагрет, он не пройдет через кольцо. Если у вас нет этого оборудования, вы можете показать учащимся видеоролик с демонстрацией под названием «Нагрев и охлаждение металлического шара».
Вопрос для расследования
Как нагревание и охлаждение влияют на атомы в твердом теле?
Материалы для ведущего
- Мяч и кольцо разработаны специально для этой демонстрации.
- Горелка Бунзена для нагревания шара
- Вода комнатной температуры (для охлаждения мяча)
Процедура
Нагревание металлического шарика
Держите мяч в одной руке и кольцо в другой. Покажите учащимся, как мяч проходит через кольцо.
Поместите металлический шар в пламя горелки Бунзена примерно на 1–2 минуты.
Попробуйте еще раз протолкнуть мяч через металлическое кольцо.
Ожидаемые результаты
Мяч не проходит через кольцо.
Спросите студентов:
- Почему мяч не проходит через кольцо?
- Учащиеся должны сделать вывод, что скорость атомов в металлическом шаре увеличилась. Это усиленное движение конкурирует с притяжением атомов друг к другу, заставляя атомы немного отдаляться друг от друга. Вот почему нагретый шар слишком велик, чтобы пройти через кольцо.
Когда учащиеся видят, что шар расширяется, они могут задаться вопросом, не расширились ли сами атомы.
Скажите учащимся, что атомы не расширяются. Вместо этого атомы в твердом теле подчиняются тем же правилам, что и молекулы в жидкости. Нагрев увеличивает молекулярное движение, в результате чего атомы расходятся немного дальше друг от друга.Охлаждение металлического шарика
Спросите студентов:
- Что мы можем сделать с металлическим шариком, чтобы он снова прошел через кольцо?
- Ученики должны предложить охладить мяч.
Опустите мяч в воду комнатной температуры.
Протолкните мяч через металлическое кольцо.
Ожидаемые результаты
Мяч пройдет через кольцо.
Спросите студентов:
- Почему теперь мяч проходит через кольцо?
- Учащиеся должны сделать вывод, что атомы замедляются настолько, что их притяжение сближает их, делая шарик меньше, чтобы он мог пройти через кольцо.
- Мяч и кольцо разработаны специально для этой демонстрации.
Покажите анимацию и объясните, что произошло с атомами в металлическом шаре, когда он нагревался и охлаждался.
Показать анимацию молекулярной модели Нагрев и охлаждение металлического шара.
Укажите, что при нагревании металла атомы движутся быстрее и отдаляются друг от друга. Это заставляет нагретый шар расширяться, что препятствует его прохождению через кольцо.
Укажите, что при охлаждении металла атомы движутся медленнее и немного сближаются. Это делает охлажденный металлический шарик немного меньше, так что он снова проходит через кольцо.
Дайте учащимся время ответить на вопросы из рабочего листа о нагревании и охлаждении металлического шарика.
Спроецируйте изображение Молекулы в шаре с комнатной температурой и горячим металлом.
Помогите учащимся нарисовать круги, изображающие атомы в шаре при комнатной температуре и после его нагревания. Попросите учащихся написать подписи, описывающие скорость и расстояние между атомами на каждой картинке.
Предложите учащимся применить то, что они узнали о нагревании и охлаждении твердых тел, чтобы объяснить, почему мосты имеют гибкие соединения.