Фото молекулы воды под электронным микроскопом: Структура воды под микроскопом |

Содержание

Структура воды под микроскопом

Олег, спасибо огромное за ответ, в принципе все понятно, хочу вам отправить описание микроскопа и наши физики утверждают что с помощью него можно видеть изменение структуры воды за счет изменения строения молекул и атомов воды (например вращение электронов в другую сторону).Что вы об этом думаете? Мне интересно ваше мнение, так эксперимент по Волге будет проходить именно в этом направлении а вот для того чтобы зафиксировать результат достаточно быстро, я пока ни у кого (Эмото это будет делать с помощью замораживания, С г-ном Коротковым мы пока общались мало но он согласен быть там же)не увидела. Спасибо огромное!

Елена

Уважаемая Елена,

Для того чтобы исследовать механизмы кристаллизации воды и формирование снежинок можно использовать простой световой микроскоп с увеличением в 500 раз. Однако, возможности светового микроскопа не безграничны. Предел разрешения светового микроскопа задается длиной световой волны, то есть оптический микроскоп может быть использован только для изучения таких структур, минимальные размеры которых сопоставимы с длиной волны светового излучения. Чем короче длина волны излучения, тем она мощнее и тем выше ее проникающая способность и разрешение микроскопа Лучший световой микроскоп имеет разрешающую способность около 0.2 мкм (или 200 нм), то есть примерно в 500 раз улучшает человеческий глаз.

Именно с помощью светового микроскопа известный японский исследователь Масару Эмото сделал свои удивительные фотографии снежинок и кристаллов льда и установил, что никакие два образца воды не образуют полностью одинаковых кристаллов при замерзании, и что их форма отражает свойства воды, несет информацию о том или ином воздействии, оказанном на воду. Для получения фотографий микрокристаллов капельки воды помещались в 50 чашек Петри и резко охлаждались в морозильнике в течение 2 часов. Затем они помещались в специальный прибор, состоящий из холодильной камеры и светового микроскопа с подключенным к нему фотоаппаратом. Образцы рассматривались при температуре –5°С в под увеличением 200—500 раз. В лаборатории М. Эмото были исследованы образцы воды из различных водных источников всего мира. Вода подвергалась различным видам воздействия, такие как музыка, изображения, электромагнитное излучение от телевизора, мысли одного человека и групп людей, молитвы, напечатанные и произнесенные слова.

Рис. Микрофотография снежинки льда, полученная на обычном световом микроскопе.

Существуют несколько модификаций световой микроскопии. Например, в фазово-контрастном микроскопе, действие которого основано на том, что при прохождении света через объект фаза световой волны меняется согласно коэффициенту рефракции объекта, благодаря чему часть света, проходящего через объект, оказывается сдвинутой по фазе на половину длины волны относительно другой части, чем и обусловлен контраст изображения. В интерференционном микроскопе используются эффекты интерференции света, возникающие при рекомбинации двух наборов волн, которые создают изображение структуры объекта. Поляризационный микроскоп предназначен для исследования взаимодействия образцов с поляризованным светом. Поляризованный свет нередко позволяет выявлять структуру объектов, лежащую за пределами обычного оптического разрешения.

Однако все эти микроскопы не позволяют изучать молекулярную структуру и все они имеют один главный недостаток – они не приемлемы для изучения воды. Для того, чтобы проводить более точные исследования необходимо применять более сложные и чувствительные микроскопические методы, основанные на использовании не световых, а электромагнитных, лазерных и рентгеновских волн.

Ла́зерный микроско́п более чувствителен, чем световой микроскоп и позволяет наблюдать объекты на глубине более одного миллиметра, используя явление флуоресценции, при котором обладающее низкой энергией фотоны лазерного излучения, возбуждает способную к флюоресценции молекулу или часть молекулы в наблюдаемом объекте — флюорофор. Результатом этого возбуждения является последующее испускание возбужденными молекулами флюоресцирующего образца флюоресцентного фотона, который усиливается с помощью высокочувствительного фотоумножителя, формирующего изображение. В лазерном микроскопе луч инфракрасного лазера сфокусирован с помощью собирающей линзы объектива. Обычно используется высокочастотный 80 МГц сапфировый лазер, испускающий импульс с длительностью 100 фемтосекунд, обеспечивающей высокую плотность фотонного потока.

Лазерный микроскоп предназначен для исследования многих содержащих флюорофорные группы биообъектов. Сейчас существуют 3-х мерные лазерные микроскопы, которые позволяют получать голографические картинки. Такой микроскоп состоит из пары водонепроницаемых отсеков, разделенных камерой, в которую поступает вода. В одном из отсеков находится синий лазер, который фокусируется на крошечном отверстии размером с булавочную головку, сканируя поступающую в камеру воду. Во втором отсеке напротив отверстия встроена цифровая камера. Лазер генерирует сферические световые волны, которые распространяются в воде. Если свет попадает на микроскопический объект (скажем, бактерию) – происходит дифракция, то есть молекула создает преломление луча света, которое фиксирует камера. Наиболее часто используемые флюорофоры имеют спектр возбуждения в промежутке 400-500 нм, в то время как длина волны возбуждающего лазера находится в промежутке 700-1000 нм (область инфракрасных волн).

Однако, для исследований структуры воды лазерная спектроскопия не подходит, поскольку вода прозрачна для лазерного излучения и флюорофорных групп не содержит, а лазерный луч с длиной волны 1400 нм значительно поглощается водой в живых тканях.

Для структурного изучения воды может быть использован рентгеновский микроскоп, который основан на использовании электромагнитного рентгеновского излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра и предназначен для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Современные рентгеновские микроскопы по разрешающей способности находятся между электронными и световыми микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нанометров, что на два порядка больше разрешающей способности обычного светового микроскопа (до 20 микрометров). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нанометров, но и такое разрешение недостаточно для исследования атомов и молекул.

‎Другая модификация рентгеновского микроскопа — лазерный рентгеновский микроскоп использует принцип лазерного луча на свободных электронах установки, которая генерирует инфракрасный луч мощностью 14,2 киловатта с сечением в 0,1 нанометра. Генерируемый луч образует плазменное облако частиц при встрече луча с микрочастицей. Фиксируемые при этом изображения возбуждённых наночастиц имеют разрешение в 1,61 мкр. Чтобы получить изображения молекул с атомарным разрешением, требуются лучи с ещё более короткими длинами волны, то не «мягкий», а «жёсткий» рентген www.membrana.ru/print.html?1163590140

Рис. Схема лазерного рентгеновского микроскопа.

1 —Лазерное излучение
2 —Испускаемое излучение
3 — Зона встречи лазерного излучение с частицей материи
4 — Генератор частиц
5 —Фотосенсор — приёмник спектра электромагнитных излучений возбужденных элементов плазменного облака
6 — Оптическая линза
7 — Вигглер
8 — Линейный источник когерентного света Linac Coherent Light Source — LCLS
9 — Частица
10 — Единичная параболическая кремниевая Х-линза

В 2004 году Американский национальный центр ускорителей — лаборатория Джефферсона (Thomas Jefferson Lab, National Accelerator Facility) на установке FEL лазерный луч формировала в вигглере — установке, состоящей линии из мощных электромагнитов или постоянных магнитов с чередующимися полюсами. Через него пропускается пучок электронов с высокой скоростью, направляемые ускорителем. В магнитных полях вигглера электроны заставляют двигаться по сферическим траекториям. Теряя энергию она преобразуется в поток фотонов. Лазерный луч, как и в других лазерных установках собирается и усиливается системой из обычных и полупрозрачных зеркал, установленных на концах вигглера. Изменение энергии лазерного пучка и параметров вигглера (например, расстояние между магнитами) дает возможность изменять в широких пределах частоту лазерного луча. Другие системы: твердые или газовые лазеры с накачкой мощных ламп этого обеспечить не могут.

Но всё же лазерный рентгеновский микроскоп для нашей России – большая экзотика. Самым мощным из всех существующих микроскопов является электронный микроскоп, который позволяет получать изображения с максимальным увеличением до 10⁶ раз, позволяя видеть наночастицы и даже отдельных молекулы, используя для их освещения пучок электронов с энергиями 100-200 кВт. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000÷10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может составлять несколько ангстрем. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля.

Чтобы получить изображения больших молекул с атомарным разрешением, требуется провести эксперимент, используя лучи с ещё более короткими длинами волны, то есть применив не «мягкий», а «жёсткий» рентген www.membrana.ru/print.html?1163590140

Одним из самых мощных из всех существующих микроскопов является электронный микроскоп, который позволяет получать изображения с максимальным увеличением до 10⁶ раз, благодаря использованию вместо светового потока с энергиями 30÷200 кВт и более. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000÷10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может составлять несколько ангстрем. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля.

Сейчас электронный микроскоп — один из важнейших приборов для фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела.

Рис. — фото справа — Электронный микроскоп

Существуют три основных вида электронных микроскопов. В 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), в 1950-х годах — растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ), а в 1980-х годах — растровый туннельный микроскоп (РТМ). Эти три вида микроскопов дополняют друг друга в исследованиях структур и материалов разных типов.

Но в 90-х годах прошлого века был создан микроскоп, более мощный чем электронный, способный проводить исследования на уровне атомов.

Атомно-силовая микроскопия была разработана Г. Биннигом и Г. Рорером, которым за эти исследования в 1986 была присуждена Нобелевская премия.

Создание атомно-силового микроскопа, способного чувствовать силы притяжения и отталкивания, возникающие между отдельными атомами, дало возможность проводить исследования объектов на наноуровне.

Рисунок ниже. Остриё микро-зонда (верх, взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 32.) и принцип работы сканирующего зондового микроскопа (взято из www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Пунктиром показан ход луча лазера.

Основой атомно-силового микроскопа служит микрозонд, обычно сделанный из кремния и представляющий собой тонкую пластинку-консоль (ее называют кантилевером, от английского слова «cantilever» — консоль, балка). На конце кантилевера (длина — 500 мкм, ширина — 50 мкм, толщина – 1 мкм) расположен очень острый шип (высота – 10 мкм, радиус закругления от 1 до 10 нм), оканчивающийся группой из одного или нескольких атомов. При перемещении микрозонда вдоль поверхности образца острие шипа приподнимается и опускается, очерчивая микрорельеф поверхности, подобно тому, как скользит по грампластинке патефонная игла. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам – пьезодатчиком. Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность атомно-силового микроскопа составляет примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.

Другая группа сканирующих зондовых микроскопов для построения рельефа поверхности использует так называемый квантово-механический «туннельный эффект». Суть туннельного эффекта состоит в том, что электрический ток между острой металлической иглой и поверхностью, расположенной на расстоянии около 1 нм, начинает зависеть от этого расстояния – чем меньше расстояние, тем больше ток. Если между иглой и поверхностью прикладывать напряжение 10 В, то этот «туннельный» ток может составить от 10 нА до 10 рА. Измеряя этот ток и поддерживая его постоянным, можно сохранять постоянным и расстояние между иглой и поверхностью. Это позволяет строить объёмный профиль поверхности кристаллов металлов.

Рисунок. Игла сканирующего туннельного микроскопа, находящаяся на постоянном расстоянии (см. стрелки) над слоями атомов исследуемой поверхности.

С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно не только двигать атомы, но и создавать предпосылки для их самоорганизации. Например, если на металлической пластине находится капля воды, содержащая ионы тиолов, то зонд микроскопа будет способствовать такой ориентации этих молекул, при которой их два углеводородных хвоста будут обращены от пластины. В результате, можно выстроить монослой тиольных молекул, прилипших к металлической пластине.

Рисунок. Слева – кантилевер (серый) сканирующего зондового микроскопа над металлической пластинкой. Справа – увеличенное изображение области (обведена белым на рисунке слева) под зондом кантилевера, на которой схематически показаны молекулы тиола с серыми углеводородными хвостами, выстраивающимися в монослой у кончика зонда. Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 44.

С помощью сканирующего туннельного микроскопа д-р Анджелос Микаелидес (Angelos Michaelides) из Центра нанотехнологий в Лондоне и профессор Карина Моргенштерн (Karina Morgenstern) из университета им. Лейбница в Ганновере исследовали молекулярную структуру льда, о чем была посвящена их статья в журнале Nature Materials.

Рис. Изображение гексамера воды, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Размер гексамера в поперечнике — около 1 нм. Фото London Centre for Nanotechnology

Для этого исследователи охлаждали водяной пар над поверхностью металлической пластины, находящейся при температуре 5 градусов Кельвина. Вскоре с помощью сканирующего туннельного микроскопа на металлической пластине удалось наблюдать кластеры воды -гексамеры — шесть соединенных между собой молекул воды. Исследователи также наблюдали кластеры, содержащие семь, восемь и девять молекул.

Разработка технологии, позволившей получить изображение кластера воды — само по себе важное научное достижение. Для наблюдения пришлось сократить зондирующий ток до минимума, что и позволило предохранить слабые связи между отдельными молекулами воды от разрушения вследствие процесса наблюдения. Помимо экспериментов, в работе были использованы теоретические подходы квантовой механики. Получены также важные результаты о способности молекул воды к распределению водородных связей и к их связи с поверхностью металла.

Кроме микроскопии существуют и другие методы изучения структуры воды – спектроскопия протонного магнитного резонанса, лазернаяи инфракрасная спекроскопия, дифракция рентгеновских лучей и др.

Другие методы также позволяют изучать динамику молекул воды. Это эксперименты по квазиупругому рассеянию нейтронов, сверхбыстрой ИК-спектроскопии и изучение диффузии воды с помощью ЯМР или меченых атомов дейтерия. Метод ЯМР-спектроскопии основан на том, что ядро атома водорода имеет магнитный момент — спин, взаимодействующий с магнитными полями, постоянными и переменными. По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся, получая, таким образом, информацию о структуре молекулы.

Дифракцию рентгеновских лучей и нейтронов на воде изучали много раз. Однако подробных сведений о структуре эти эксперименты дать не могут. Неоднородности, различающиеся по плотности, можно было бы увидеть по рассеянию рентгеновских лучей и нейтронов под малыми углами, однако такие неоднородности должны быть большими, состоящими из сотен молекул воды. Можно было бы их увидеть, и исследуя рассеяние света. Однако вода — исключительно прозрачная жидкость. Единственный же результат дифракционных экспериментов — функции радиального распределения, то есть расстояния между атомами кислорода, водорода и кислорода-водорода. Эти функции для воды затухают гораздо быстрее, чем для большинства других жидкостей. Например, распределение расстояний между атомами кислорода при температуре, близкой к комнатной, даёт только три максимума, на 2,8, 4,5 и 6,7 Å. Первый максимум соответствует расстоянию до ближайших соседей, и его значение примерно равно длине водородной связи. Второй максимум близок к средней длине ребра тетраэдра — вспомним, что молекулы воды в гексагональном льду располагаются по вершинам тетраэдра, описанного вокруг центральной молекулы. А третий максимум, выраженный весьма слабо, соответствует расстоянию до третьих и более далёких соседей по водородной сетке. Этот максимум и сам не очень ярок, а про дальнейшие пики и говорить не приходится. Были попытки получить из этих распределений более детальную информацию. Так в 1969 году И.С. Андрианов и И.З. Фишер нашли расстояния вплоть до восьмого соседа, при этом до пятого соседа оно оказалось равным 3 Å, а до шестого — 3,1 Å. Это позволяет делать данные о дальнем окружении молекул воды.

Другой метод исследования структуры – нейтронная дифракция на кристаллах воды осуществляется точно также, как и рентгеновская дифракция. Однако из-за того, что длины нейтронного рассеяния различаются у разных атомов не столь сильно, метод изоморфного замещения становится неприемлемым. На практике обычно работают с кристаллом, у которого молекулярная структура уже приблизительно установлена другими методами. Затем для этого кристалла измеряют интенсивности нейтронной дифракции. По этим результатам проводят преобразование Фурье, в ходе которого используют измеренные нейтронные интенсивности и фазы, вычисляемые с учётом неводородных атомов, т.е. атомов кислорода, положение которых в модели структуры известно. Затем на полученной таким образом фурье-карте атомы водорода и дейтерия представлены с гораздо большими весами, чем на карте электронной плотности, т.к. вклад этих атомов в нейтронное рассеяние очень большой. По этой карте плотности можно, например, определить положения атомов водорода (отрицательная плотность) и дейтерия (положительная плотность).

Возможна разновидность этого метода, которая состоит в том, что кристалл льда, перед измерениями выдерживают в тяжёлой воде. В этом случае нейтронная дифракция не только позволяет установить, где расположены атомы водорода, но и выявляет те из них, способные обмениваться на дейтерий, что особенно важно при изучение изотопного (H-D)-обмена. Подобная информация помогает подтвердить правильность установления структуры. Но все эти методы достаточно сложны и требуют для проведения мощной дорогостоящей техники.

В результате экспериментов по квазиупругому рассеянию нейтронов в кристаллах воды был измерен важнейший параметр — коэффициент самодиффузии при различных давлениях и температурах. А новейшие методы фемтосекундной лазерной спектроскопии позволили оценить время жизни не только отдельных кластеров воды, но и время жизни разорванной водородной связи. Оказывается, кластеры довольно неустойчивы и могут распадаться через 0,5 пс, но могут жить и несколько пикосекунд. А вот распределение времён жизни водородных связей очень велико Но это время не превышает 40 пс, а среднее значение — несколько пс. Однако всё это средние величины.

Изучить детали строения и характера движения молекул воды можно и при помощи компьютерного моделирования, называемого иногда численным экспериментом, который позволяет исследователям рассчитывать новые модели воды.

С уважением,

К.х.н. О.В. Мосин

Приложение I Коротенькая история микроскопа . Нанонауки [Невидимая революция]

Увидеть молекулу через увеличительное стекло невозможно, никакой лупе это не под силу. Размер молекулы воды — 0,3 нанометра, то есть 0,3 от миллионной доли миллиметра. Молекула бензола побольше — 0,5 нм. Состоящие из углерода, кислорода и водорода молекулы липидов и глицинов еще крупнее — до 1 нм. А состоящие из аминокислот молекулы белка вдесятеро больше — с десяток нанометров. ДНК — вообще молекула-великан, «макромолекула», длина которой доходит до многих микрон, а если такую скрученную в спираль молекулу расплести, она растянется на многие метры. Но даже эту воистину гигантскую молекулу в лупу увидеть невозможно.

Какой же прибор взять, чтобы все-таки углядеть молекулу? Оптический микроскоп позволяет благодаря лучам света увидеть в объектив увеличенное изображение малюсенького объекта. В наши дни микроскопы с увеличением в тысячу раз продаются в гипермаркетах. За какую-то сотню евро можно наслаждаться созерцанием волосков на лапках блохи и крошечной живности, кишащей в капле воды, или заняться разглядыванием фацетного глаза мухи. Словом, видеть то же, что и Роберт Гук, Антони ван Левенгук, Галилей — первые исследователи, заглянувшие в трубу микроскопа еще в XVII веке.

Глядя в такой микроскоп, вы увидите паутинку или волос диаметром около 50 мкм такими, словно бы диаметр вырос до 5 см. Так что? Если молекула воды «вырастет» в 1000 раз, то есть до 0,3 мкм, то, значит, ее можно будет увидеть? Увы! Что бы вам ни говорили знатоки микроскопов, знайте: изображение молекулы воды никогда никто в объективе микроскопа не видел — и никогда не увидит. Виноваты свойства света: волна света разлагается и преломляется (принято говорить о «дифракции»), проходя через любой объект, величина которого соизмерима с длиной волны. А видимый свет — это электромагнитные волны длиной около 0,1 мкм. Изображение в этом случае расплывается или вообще пропадает из объектива.

В других микроскопах вместо видимого света используются невидимые лучи (ультрафиолетовые, инфракрасные) или пучки элементарных частиц, а в туннельном микроскопе, многократно упоминавшемся в этой книге выше, работают квантовые явления.

Сегодня микроскопы принято делить на две категории. Если источник света или элементарных частиц располагается поодаль от наблюдаемого объекта, то такой микроскоп называют микроскопом дальнего поля, если же источник и объект рядом, прибор относят к классу ближнего поля (расстояние оценивается относительно длины волны используемого излучения). Чтобы уяснить различие, давайте получше присмотримся к тому увеличительному стеклу, которым в 1668 году воспользовался голландец ван Левенгук. Его увеличительное стекло представляло собой, в сущности, микроскоп с одной линзой почти сферической формы. Свет, например от Солнца или лампы, отражаясь от зеркал, освещает объект и отражается от него. Затем лучи света проходят через линзу и, попадая в объектив, выстраивают увеличенное изображение, наблюдаемое непосредственно. Источник света удален от объекта, и потому линза ван Левенгука входит в класс микроскопов дальнего поля.

Слепой «видит» предмет, ощупывая его: осязание подменяет зрение. Обводя объект пальцем, линия за линией, незрячий может составить в своем сознании некое ментальное изображение объекта. Поступая таким образом, слепец прибегает к приему «ближнего поля». А если вместо пальца тончайшая игла? Тогда, если точно отладить колебания иглы, можно с высоким разрешением получить, точнее, реконструировать (по перемещениям иглы), изображение наблюдаемого объекта. Микроскопия ближнего поля изобретена затем, чтобы заменить микроскопию дальнего поля в тех ситуациях, когда в дело вмешивается дифракция.

Рис. 1. — Химическое строение молекулы металлического фталоцианина, впервые синтезированного в 1927 году швейцарскими химиками Э. де Дьебашем и Э. фон дер Вайдом. Металлическим это соединение называется потому, что один из атомов молекулы фталоцианина замещен атомом металла, в данном случае — формула C₃₂H₁₆CuN₈ — меди. На рисунке этот центральный атом металла обозначен литерой М. Выяснить структуру молекулы удалось в 1936 году благодаря рентгеновским лучам и эффекту дифракции. Чтобы дать представление если не о размерах молекулы, то хотя бы о масштабах, укажем, что длина воображаемой диагонали между центральным атомом металла M и двумя расположенными по обе стороны от него атомами азота N равна 1,5 нм

Чтобы читатель лучше представил себе основные этапы истории микроскопа, мы расскажем о приключениях одной молекулы, сильно поспособствовавшей прогрессу микроскопии (и других исследовательских методик) на протяжении почти столетия: это фталоцианин меди (рис. 1). Размеры этой молекулы — средние, а само соединение получают в виде раствора, кристаллов или осадка на твердой поверхности, для удобства наблюдения. Впервые фталоцианин меди был получен в 1927 году, а в наши дни он встречается на каждом шагу: если пластиковая сумка, в которую упаковали ваши покупки в супермаркете, синеватая или голубоватая, то в пластике наверняка есть фталоцианин.

ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

Приключения фталоцианина меди начались в 1933 году, когда английский химик Патрик Линстед решил определить его атомную структуру. Для этого он воспользовался дифракцией рентгеновских лучей. Метод этот не относится к собственно микроскопии, потому что изображение молекулы получается «окольным путем». Само название приема говорит об использовании дифракции — явления, так мешавшего микроскопии. Просвечивая кристалл образца рентгеновскими лучами, получают геометрический образ, узлы которого расположены соответственно расстояниям между атомами, что и позволяет представить схему строения кристалла.

В молекулярном кристалле громоздятся миллиарды одинаковых молекул. Они почти недвижны просто потому, что двигаться некуда: соседние молекулы мешают. Эта их недвижность и позволяет получать изображения. Если кристалл тонкий, то видимый свет через него пройдет. Однако длины волн видимого света (400–800 нм) слишком уж велики, чтобы нести какую-то информацию: получается что-то вроде стрельбы из пушек по воробьям или раскалывания орехов бульдозером. Нужны волны много короче. Рентгеновские лучи годятся как нельзя лучше: длины волн соизмеримы с межатомными расстояниями внутри кристалла, то есть измеряются считаными нанометрами, если не меньше. Чтобы не вдаваться в историю, приведем лишь один пример. Рентгеновское излучение помогло выяснить структуру хлорида натрия (иначе поваренной соли): кристалл, оказывается, состоит из квадратных корзинок, а длина стороны квадрата — 0,4 нм. Собственно, это — расстояние между соседними атомами, точнее, ионами хлора и натрия.

Патрик Линстед привлек к своим исследованиям одного молодого ученого по имени Джон Робертсон, который после долгих вычислений выяснил, как устроен кристалл, состоящий из молекул фталоцианина меди, и понял, как построена сама молекула: это квадраты со стороной 1,3 нм.

ФТАЛОЦИАНИН МЕДИ НА ФОТОГРАФИИ

Работа всех нынешних электронных микроскопов основана на одном принципе. Металлическая, очень тонкая игла подводится к металлической пластинке. Если между иглой и пластинкой приложено электрическое напряжение достаточной величины, с иглы будут стекать электроны. И тогда то, что происходит в этом пространстве, будет зависеть от расстояния между иглой и пластинкой.

В 1930-е годы были изобретены «эмиссионно-полевой микроскоп» (или «автоэлектронный микроскоп») и «электронный микроскоп». И разгорелось ожесточенное и затяжное сражение между коллективами ученых, работающих с этими приборами. Воевали за первенство: кто кого опередит в соревновании за достижение атомного разрешения, то есть за выведение на экран изображения атома. В конце 1960-х годов один из отцов электронной микроскопии во Франции Гастон Дюпуи, выступая перед академическим собранием, заявлял: «Моя цель — увидеть сами атомы». Но впервые эту цель себе поставили — и гораздо раньше — два молодых немца, работавшие в лабораториях фирмы Telefunken (позднее — Siemens), звали их Эрвин Мюллер и Эрнст Руска.

Эрвин Мюллер всегда отличался любопытством и упрямством. И вот однажды он вознамерился доказать, да так, чтобы никто не посмел усомниться, что пучок электронов, излучаемых из некоторой точки, содержит информацию о расположении атомов в этой точке. Установив на достаточном удалении от этой самой точки люминесцентный экран, он надеялся получить увеличенную светящуюся проекцию расположения атомов — подобно тому, как высвечиваются силуэты в китайском театре теней. Чтобы проверить свою догадку, Мюллер придумал в 1936 году автоэлектронный микроскоп. Увы! Как он ни старался, получить изображение атомов не удавалось. Но однажды — это случилось уже в 1951 году — он пришел в лабораторию, и все у него с самого начала пошло наперекосяк: внутрь ограждения, где находилась установка, попало небольшое количество водорода. Загрязнение! А сам экспериментатор невзначай поменял полярность напряжения между иглой и пластинкой. И на кончике иглы появились ионы водорода. То есть пучок заряженных частиц теперь состоял не из электронов, а, пусть отчасти, из ионов водорода. И, попав на люминесцентный экран, они нарисовали… схему расположения атомов!

Мюллер продолжил свои эксперименты с более тяжелыми газами, выбирая те, что не так, как водород, охотно вступают в химические реакции, например гелий или неон, старательно подбирая при этом вольфрамовую иглу, и в конце концов добился того, что на экране появилось изображение тех атомов вольфрама, которые попали на кончик иглы. Таким образом Эрвин Мюллер первым получил изображение одиночного атома. Случилось это в 1955 году. А в 1991-м человек впервые сумел сдвинуть атом с места — иглой туннельного микроскопа. Это был Дон Эйглер, исследователь, работавший на IBM в Калифорнии. Но это уже совсем другая история, о которой рассказывалось в главе 3.

О том, что случилось после описанных опытов Мюллера, знают куда меньше. А ведь и он ввел, по своей воле или еще как — кто знает? — в эксперименты толику фталоцианина меди. На кончике иглы поместилось несколько молекул. На экране возникло знакомое изображение атомов вольфрама, но появились и какие-то странные пятнышки: каждое такое облачко делилось на четыре симметричные дольки. Расстояние между двумя атомами вольфрама на кончике иглы известно, значит, оно годится на роль эталона для определения размеров долек. Мюллер сравнил вычисленные значения с величинами расстояний, полученными Робертсоном с помощью дифракции рентгеновских лучей, — все сходилось! Так Эрвин Мюллер получил в 1957 году первое изображение одиночной молекулы (рис. 2). А фталоцианин меди еще раз выступил в качестве предмета и повода научной премьеры.

Рис. 2. Полученное на экране автоэлектронного микроскопа изображение нескольких молекул фталоцианина меди, расположившихся на вольфрамовой игле. Это изображение Э. Мюллер получил в 1957 году, работая в своей лаборатории при университете штата Пенсильвания. Каждая молекула выглядит как крестик с четырьмя четко различимыми дольками. Здесь воспроизводится фотография С люминесцентного экрана. использованного Э. Мюллером, на который проецировались электроны, излучаемые вольфрамовым острием и частично проходящие через молекулы

Затем Мюллер получил множество изображений иных молекул. В то время автоэлектронный микроскоп (эмиссионно-полевой микроскоп) лет на пятнадцать опережал своего соперника, которым был микроскоп электронный. Но эта техника — лишь вынужденная необходимость для некоторых предельных условий, складывающихся в определенных электрических полях и при определенных давлениях. Кроме того, автоэлектронный микроскоп не дает такого четкого представления об атомных структурах молекул, как установки с рентгеновскими лучами или электронный микроскоп. В наши дни используется автоионный (ионно-полевой) микроскоп для определения характеристик структуры игл на атомном уровне, что важно в работе с туннельным микроскопом.

РОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА

В начале 1930-х годов инженер Берлинского университета Эрнст Руска получил задание определить параметры, необходимые для контроля диаметра пятна, образованного пучком электронов, пропущенным через отверстие в металлической пластинке. Поначалу он решил воспользоваться соленоидом (тороидальной катушкой, которая, если по ее виткам течет электрический ток, действует как магнит), полагая, что соленоид сможет менять диаметр пучка электронов так, как линза фокусирует проходящие через нее лучи света. Затем он подумал, что аналогия между электронами и видимым светом сулит много больше, и построил просвечивающий микроскоп из источника электронов, соленоида и проекционного экрана (все это, понятно, было помещено в вакуум). Потом он поместил между соленоидом и экраном небольшой предмет — и соленоид повел себя на манер линзы в оптическом микроскопе. Так Руска получил увеличение в 14,4 раза и — изобрел электронный микроскоп.

Памятуя о теоретических ограничениях возможностей получения изображений с помощью света, Руска в глубине души надеялся, что электроны смогут обеспечить лучшее разрешение. Увы, в 1927 году Луи де Бройль опубликовал работу, ознакомившись с которой Руска приуныл: выходило, что с электроном, как и со всякой материальной частицей, связана некая волна. Руска так хотел обойти теоретические ограничения оптики — и на тебе: его микроскоп тоже подчиняется законам волновой физики, в частности, не свободен от явлений вроде дифракции. Но трудности его не остановили: в 1932 году Руска показал, что предел разрешения электронного микроскопа не хуже 0,22 нм. И воспрял духом: это обещало, в теории, возможность видеть атомы!

Так начинался тот спектакль. К концу 1930-х годов увеличение электронного микроскопа достигло 30 тыс. раз, а в 1950-е уже измерялось сотней тысяч раз. Чтобы увидеть атом, требовалось умножить эти цифры еще хотя бы на тысячу.

Колыбелью прогресса стала компания Telefunken: молодые ученые пытались решить сложнейшие технические задачи, параллельно развивая телевидение. И чего они только не пробовали: подбирали режим пропускания электронов через образец, преломление, сканирующие метания тонюсенькой электронной кисточки, сочетали все это… но увидеть атом не удавалось. Только в 1970 году на экране электронного микроскопа появились первые изображения атомов, но случилось это не в Германии, а в Соединенных Штатах, где создали электронный микроскоп в одно и то же время и просвечивающий, и сканирующий.

Рис. 3. Изображение сверхтонкого кристалла фталоцианина меди на экране просвечивающего электронного микроскопа, которое получил X. Хасимото в лаборатории токийского университета в 1974 году. На изображение, запечатленное на обычной фотографической пластинке пучком электронов, прошедшим через кристалл, наложена — в правой части снимка — структурная формула молекулы

В 1974 году на арену вновь вышла наша молекула фталоцианина меди. И вновь заставила заговорить о себе. X. Хасимото из Токийского университета избрал ее в качестве исследуемого образца, потому что в центре ее находится атом меди, который хорошо обнаруживается просвечивающим электронным микроскопом. Хотя тот же микроскоп не видел атомы углерода и азота, тоже присутствующие в молекуле, X. Хасимото рассчитывал, что ему удастся наблюдать правильную решетку, образованную атомами меди. Поместив кристаллик фталоцианина меди в свой микроскоп, он получил прекрасные изображения, к тому же уточнив подробности на автоионном микроскопе (рис. 3). У этой техники есть еще одно выгодное преимущество: она не требует создания каких-то особенных условий — высокого давления и т. п.; изображение наблюдается непосредственно, в отличие от метода, использующего дифракцию рентгеновских лучей.

ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

Во всех только что описанных микроскопах источник излучения заметно удален от экрана, на котором и наблюдаются результирующие изображения. А что, если приблизить иглу к металлическому экрану? Игла и экран оказываются обкладками конденсатора, которые могут быть электрически заряжены и между которыми может возникнуть напряжение. К примеру, при напряжении порядка 1 В на обкладках конденсатора скапливается несколько электронов (если расстояние между иглой и поверхностью поддерживается в пределах нескольких нанометров). Поскольку напряжение поляризации (напряжение между обкладками конденсатора) мало, электроны не стекают с иглы — в отличие от электронного микроскопа.

Но этот малюсенький конденсатор страдает одним изъяном: он так мал, что обкладки электрически — точнее, «электронно» (посредством электронов) — взаимодействуют через промежуток между иглой и поверхностью. Это значит, что электрон «не знает», на какой он обкладке. «Неведение» это квантовой природы, и выражается оно в токе утечки ничтожной силы, а само явление называется туннельным эффектом. При напряжении поляризации в 1 В и расстоянии между иглой и поверхностью в 1 нм сила тока утечки имеет величину порядка 1 нА и уменьшается по мере удаления иглы от поверхности. Хотя ток силой в наноампер кажется ничтожно малым, сама эта величина означает, что за секунду между иглой и поверхностью перемещается порядка 10¹⁰ электронов. Однако нашлись люди, превратившие этот порок в добродетель, — ими были Генрих Рорер и Герд Бинниг, работавшие в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе.

В конце 1970-х годов Рорер заинтересовался дефектами сверхтонких изолирующих пленок, нанесенных на поверхность металла или полупроводника. Размеры этих дефектов часто не превышали 10 нм, но они сильно вредили магнитной памяти и миниатюрным транзисторам. Однако в то время исследование строения этих изъянов с помощью любого микроскопа — во всяком случае, без разрушения самих дефектов — было невозможно.

Бинниг и Рорер решили как-то воспользоваться током утечки, возникающим из-за туннельного эффекта, который вполне мог сообщать и о качествах дефектов, и о расстоянии от кончика иглы до поверхности — речь, словом, шла об определении рельефа исследуемого образца. В работе к ним присоединился инженер-исследователь Кристоф Гербер, тоже трудившийся на IBM. Втроем они собрали из подвернувшихся под руку деталей прибор с очень тонкой и длинной иглой, которую можно было, по желанию, поднимать и опускать над поверхностью, и устройством для замера ничтожно малых токов — порядка наноампера. Они рассчитывали, что, сканируя поверхность иглой, то есть перемещая иглу над поверхностью так, чтобы покрыть всю ее площадь, и замеряя при этом силу туннельного тока, удастся построить, строка за строкой, все изображение обследуемой площадки, подобно тому как это происходит в сканирующем электронном микроскопе.

Рорер, Бинниг и Гербер строили пробный образец своего прибора три года. В 1981 году они экспериментально проверяли закон зависимости силы туннельного тока от расстояния между иглой и поверхностью. Оказалось, что сила тока уменьшается в 10 раз, если между иглой и поверхностью остается только 0,1 нм. Надо думать, для того чтобы уверенно называть такие цифры, требуется небывалая точность позиционирования иглы: нужно не только подвести иглу к поверхности, но и сохранять заданное расстояние по ходу сканирующих метаний — по горизонтали и по вертикали — иглы над поверхностью. Помогли три стерженька из материала, почти не деформирующегося под напряжением.

Сканирование производится при поддержании постоянной силы туннельного тока: игла поднимается над бугорками и опускается над впадинами сканируемой поверхности. Но если экспериментаторы рассчитывали обнаружить на обследуемой «гладкой» площадке своего образца правильную череду ступенек, то линии развертки, полученные осенью 1982 года, показали вереницу бугорков. Профиль, зарегистрированный прибором, отобразил точную атомную топографию просканированного кристалла! Так родился туннельный микроскоп, создатели которого в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике.

Из вышесказанного ясно, что туннельный микроскоп относится к микроскопам ближнего поля: кончик иглы удерживается близ обследуемой поверхности. Если нечаянно или еще почему-то игла коснется поверхности, сила тока мгновенно увеличится до величин порядка 100 мкА, что в сто тысяч раз больше туннельного тока. Прибор оснащен специальной амортизацией, оберегающей иглу от внешних механических колебаний.

После изобретения туннельного микроскопа удалось получить множество изображений различных металлических и полупроводниковых поверхностей и разрешить большое количество проблем кристаллографии. А через некоторое время по ходу совершенствования туннельного микроскопа был создан микроскоп «на атомной силе»: для получения изображения используются силы, возникающие при взаимодействии иглы и сканируемой поверхности. Это силы притяжения — ван-дер-ваальсовы силы — и силы отталкивания, проистекающие из принципа непроницаемости атомов. Таким образом, в полку микроскопов ближнего поля — пополнение.

Вернемся к нашей молекуле фталоцианина меди. Игла туннельного микроскопа сканирует поверхности и создает изображения. А что будет, если на поверхность «выложить» какие-нибудь атомы или молекулы? А вдруг они окажутся настолько непрозрачными для электронов, замешанных в туннельном эффекте, что возникнет какой-никакой, но образ — этакие протуберанцы или сполохи на поверхности?

Джим Гимжевски, решив проверить это предположение, выбрал в качестве образца фталоцианин меди. Он поместил кучку молекул этого вещества на серебряную поверхность, зная, что серебро очень хорошо проводит электричество. Затем он окунул в скопление молекул иглу туннельного микроскопа и, убедившись, что несколько из них прилипло к игле, попытался перенести молекулы в другое место. И ему это удалось: он приблизил иглу к выбранному участку и стряхнул с нее несколько молекул, которые затем беспорядочно рассредоточились по поверхности. Потом он очистил иглу, слегка повысив приложенное к ней напряжение, и приступил к эксперименту: передвигая иглу близ того места, где он разбросал молекулы фталоцианина меди, Гимжевски смог получить изображение — первое изображение одиночной молекулы, полученное на туннельном микроскопе (рис. 4).

Рис. 4. Изображение молекулы фталоцианина меди на поверхности кристалла серебра, полученное в 1987 году Дж. К. Гимжевски на туннельном микроскопе в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе. Четыре дольки соответствуют тем четырем долькам белых крестиков, что видны на изображении, полученном в 1957 году на автоэлектронном микроскопе (см. рис. 2). Размеры участка на фото: 5 нм x 5 нм

И оно удивительно напоминало картинку, полученную Эрвином Мюллером тридцатью годами ранее. Однако оба опыта как бы противоположны друг другу: у Мюллера молекула была на игле, у Гимжевски — на поверхности. Вот как начиналось новое приключение, открывавшее неслыханные возможности, совершенно недоступные как автоионному, так и электронному микроскопам. Подумать только: притронуться к молекуле кончиком иглы, которая, в сущности, продолжает палец исследователя…

Молекулярные модели и электронная микроскопия

Как выглядит молекула? Это не совсем справедливый вопрос — молекулы настолько крошечные, что только наши самые лучшие электронные микроскопы могут дать нам нечеткие, зернистые изображения. Вместо этого мы используем ряд различных символов и моделей для их представления.

Группа японских исследователей придумала способ объединить эти две вещи с помощью системы молекулярного моделирования, основанной на электронной микроскопии. Хотя она похожа на модель мяча и стержня, которую вы, возможно, использовали в старшей школе, эта модель передает гораздо больше информации — за счет размеров атомов.

Они говорят, что их система, называемая ZC-моделью, представляет молекулы таким образом, что помогает химикам интуитивнее работать с изображениями очень крошечных предметов. Они надеются, что это также станет полезным образовательным инструментом.

Модель ZC и то, как они ее придумали, описаны в статье в PNAS.

Молекулярные модели появились более чем на столетие раньше реальных изображений молекул. Трехмерные молекулярные модели имеют решающее значение для работы химиков — будь то ручная модель шарика и стержня, созданная компьютером диаграмма заполнения пространства в виде воздушного шара или что-то среднее между ними.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) позволила реально увидеть отдельные атомы и молекулы. Но независимо от того, что вы могли видеть в кино, они не проявляются на экране в виде гладких, понятных шариков. На самом деле, вообще трудно обнаружить какое-либо сходство между ПЭМ-изображением и моделью молекулы.

«Модель шарика и стержня слишком проста, чтобы точно описать, что на самом деле происходит на наших изображениях», — говорит профессор Кодзи Харано с химического факультета Токийского университета, Япония.

«И модель CPK, которая технически показывает распространение электронного облака вокруг ядра атома, слишком плотна, чтобы различить некоторые детали. Причина в том, что ни одна из этих моделей не демонстрирует истинных размеров атомов, которые показывают изображения, полученные с помощью AR-TEM [просвечивающей электронной микроскопии с атомным разрешением]».

Харано и его коллеги решили эту проблему, внимательно изучив, как изображения ПЭМ коррелируют с атомами и молекулами, которые, как они знали, присутствовали.

Они обнаружили, что размер атома на ПЭМ-изображении тесно связан с его атомным номером. (Атомный номер, или массовое число, — это число протонов элемента и большое число, присвоенное каждому атому в периодической таблице. Например, атомный номер водорода — 1, а атомный номер углерода — 6.)

Они использовали эту информацию, чтобы предложить новый способ изображения молекул, где каждый атом имеет разный размер в соответствии с его атомным номером.

Подробнее: Прикосновение к атомам

Получайте свежие научные статьи прямо на почту.

Атомный номер также представлен буквой Z, поэтому исследователи назвали свою систему Z-коррелированной или ZC-системой.

«Создание этой модели значительно ускорило наши исследования», — говорит соавтор, профессор Такаюки Накамура, также из Токийского университета. «Предыдущие молекулярные модели не могли хорошо объяснить молекулярные изображения в ПЭМ».

Он говорит, что их модель может в конечном итоге помочь химикам выяснить такие вещи, как молекулярная структура, из изображений ПЭМ. На данный момент, хотя ПЭМ полезна и для других целей, она далеко не так эффективна, как обычные аналитические методы для определения формы молекул.

«Специалисты TEM никогда не задумывались о нашем подходе, — говорит Накамура. «Они просто признали, что это непонятно, потому что это очень сложно».

«Используя ZC-модель, теперь можно предсказать молекулярную структуру по фактическому ПЭМ-изображению с достаточно высокой степенью точности. Это открыло возможность использования TEM в начальном и среднем образовании, а также развития TEM как средства изучения динамических свойств молекул».

Но хотя век «кинематографической химии» или фотографирования реальных молекул быстро приближается, Накамура по-прежнему считает, что в обозримом будущем химики будут использовать модели старой школы.

Периодическая таблица элементов – по размерам. Модель CPK (вверху) изображает распределение электронов вокруг атома. Это отличается от размера ядра атома, который изображен ниже в модели ZC. Авторы и права: © 2021 Nakamura, Harano et al.

«Независимо от того, насколько хорош AR-TEM, он никогда не сможет понять трехмерную структуру», — говорит он.

«Молекулярные модели, которые изображают молекулы в трехмерном виде с использованием разных цветов сфер для разных типов атомов, незаменимы для интуитивного понимания молекул и будут продолжать помогать как химикам, так и широкой публике понимать молекулы».

Эллен Фиддиан

Эллен Фиддиан — научный журналист в Cosmos. Она имеет степень бакалавра наук (с отличием) в области химии и научной коммуникации, а также степень магистра в области научной коммуникации, полученные в Австралийском национальном университете.

Читайте научные факты, а не художественную литературу…

Никогда не было более важного времени, чтобы объяснять факты, ценить научно обоснованные знания и демонстрировать последние научные, технологические и инженерные достижения. Cosmos издается Королевским институтом Австралии, благотворительной организацией, призванной связывать людей с миром науки. Финансовые взносы, большие или малые, помогают нам предоставлять доступ к достоверной научной информации в то время, когда мир больше всего в ней нуждается. Пожалуйста, поддержите нас, сделав пожертвование или купив подписку сегодня.

Обнаженные молекулы, танцующие в жидкости, становятся visi

видео: Ученые из Центра мягкой и живой материи Института фундаментальных наук (IBS) визуализировали движение длинной цепочки атомов (полимера), заключенной внутри кармана из графена. Впервые молекулы можно увидеть движущимися под трансмиссионным электронным микроскопом без необходимости фиксировать их на месте или окрашивать. В то время как микроскоп делает черно-белые изображения (слева), можно добавить цвета (справа), чтобы направить взгляд зрителя на движение молекулы. У ученых было в среднем 100 секунд, чтобы полюбоваться динамическим движением отдельных полимеров, прежде чем они были разрушены электронным лучом. В эти драгоценные секунды молекулы меняют положение, перестраиваются и «прыгают». Эксперимент проводился при комнатной температуре в условиях высокого вакуума.
посмотреть больше

Авторы и права: (К. Хима Нагаманаса, Хуан Ван и Стив Граник. Жидкостно-клеточная электронная микроскопия адсорбированных полимеров. Усовершенствованные материалы (2017 г.) Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Воспроизведено с разрешение.)

Наш мир состоит из движущихся, вибрирующих и прыгающих молекул. Однако запечатлеть их движение — непростая задача. Ученые IBS из Центра мягкой и живой материи Института фундаментальных наук (IBS) смогли увидеть движение молекул, хранящихся внутри графенового кармана, без необходимости их окрашивания. Опубликовано в Advanced Materials , это исследование прокладывает путь к наблюдению за динамикой строительных блоков жизни, таких как белки и ДНК, а также за самосборкой других материалов.

Одна треть диаметра человеческого волоса — это примерно наименьший размер, который человеческий глаз может видеть без посторонней помощи. Чтобы различать более мелкие объекты, нам нужны микроскопы. Мы можем оценить клетки и бактерии с помощью оптических микроскопов, тогда как вирусы и молекулы видны только под электронным микроскопом. В последнем изображения формируются электронами, выстреливаемыми в образец. Поскольку электроны имеют гораздо более короткую длину волны по сравнению со светом, электронная микроскопия обеспечивает гораздо большее увеличение, чем оптическая микроскопия. Однако электронный луч разрушает образец, и если в нем присутствует вода, он имеет тенденцию распадаться на пузырьки. Таким образом, электронная микроскопия подходит для визуализации инертных, мертвых образцов, в то время как живой материал химически зафиксирован.

Ученые IBS нарушили это правило и визуализировали незакрепленные цепочки атомов, называемые полимерами, плавающие в жидкости внутри графеновых карманов. Они состоят из 3-5 слоев графена снизу и двух сверху. Листы непроницаемы для мелких молекул, а также предотвращают мгновенное повреждение образца электронным лучом: у ученых было в среднем 100 секунд, чтобы полюбоваться динамическим движением отдельных молекул полимера, прежде чем они были разрушены электронным лучом. В эти драгоценные секунды молекулы меняют положение, перестраиваются или «прыгают». «Было удивительно наблюдать, как танцуют эти гибкие органические макромолекулы», — говорит Хима Нагаманаса, первый соавтор статьи. «В массе молекулы движутся гораздо быстрее. Мы были удивлены, увидев, что здесь они движутся медленнее. Мы считаем, что прикрепление к поверхности кармана работало в нашу пользу, замедляя их, без этого мы, вероятно, увидели бы просто размытое изображение.»

Ранее ученым нужно было окрашивать образцы металлическими или красящими молекулами, чтобы сделать их видимыми внутри графенового кармана. Металл обладает высокой отражательной способностью, то есть он может блестеть, поэтому его можно использовать для получения хороших изображений. Однако химические связи между образцом и металлом или красителем изменяют характеристики молекулы образца. В этом исследовании графеновый карман достаточно тонкий, чтобы его содержимое можно было наблюдать в режиме реального времени без какого-либо окрашивания.

В частности, ученые работали с двумя полимерами: с серой, полистиролсульфонатом и без полиэтиленоксида. Это позволило им показать, что контраст под микроскопом обусловлен структурой полимера, состоящей из атомов углерода и водорода, а не серой. «Большинство молекул, производимых живыми организмами, имеют основу из углерода и водорода, и поэтому мы надеемся расширить это исследование до изучения взаимодействий между ДНК и белками», — объясняет первый соавтор Хуан Ван. Более того, поскольку ученые использовали стандартный электронный микроскоп, они рассчитывают, что эта методика будет использоваться и в других лабораториях.