Фото молекулы воды под электронным микроскопом: В новый микроскоп IBM видно межатомные связи в молекуле / Хабр

В новый микроскоп IBM видно межатомные связи в молекуле / Хабр

alizar

Блог компании IBM Обработка изображений *

Научно-исследовательское подразделение IBM Research в Цюрихе опубликовало картинки, которые удалось сгенерировать с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа (АСМ). На изображениях можно различить отдельные атомы углерода в шарообразной молекуле C60. Видны даже химические связи между атомами, то есть перекрывающиеся электронные облака («размазанные» электроны, в терминологии Шрёдингера).


В 2009 году именно эта группа учёных IBM впервые получила фотографию отдельной молекулы: вот этот исторический снимок молекулы пентацена из пяти бензольных колец. Та фотография была сделана при температуре 5°K в сверхвысоком вакууме.

Сейчас учёные значительно увеличили разрешение АСМ, хотя работает он на прежнем принципе. На конце чувствительной головки АСМ помещена отдельная молекула угарного газа (CO), которая раскачивается над сканируемой поверхностью. При приближении к «чужим» атомам наша молекула испытывает силы притяжения и слегка меняет амплитуду покачиваний.

Замеряя изменения в амплитуде, АСМ рисует изображение сканируемой поверхности с невероятным разрешением 3 пикометра (3 × 10-12 м), что чуть больше 1/100 от диаметра атома углерода. Синие и зелёные цвета на «фотографии» — это условность.

Столь высокая разрешающая способность микроскопа открывает удивительные перспективы: мы можем своими глазами увидеть, как происходят химические реакции на молекулярном уровне, а также лучше изучить структуру материалов с уникальными свойствами, таких как графен. Теоретически было известно, что атомы углерода в графене и других веществах находятся на разном расстоянии друг от друга и отличаются силой связей: если в том же графене они сильные, то в молекулах, например, ароматических углеводородов связи гораздо слабее, хотя атомная решётка там похожей гексагональной формы. Теперь мы можем своими глазами увидеть эту разницу.

Лучшее изучение молекулярной структуры продвинет вперёд исследования новых материалов и позволит создать более эффективные органические фотоэлементы, органические светодиоды (OLED) и другие материалы.

Результаты исследования IBM Research опубликованы в журнале Science.

Теги:

  • IBM Research
  • АСМ
  • атомно-силовой микроскоп
  • фотография молекулы
  • межатомные связи
  • графен

Хабы:

  • Блог компании IBM
  • Обработка изображений

Всего голосов 207: ↑200 и ↓7 +193

Просмотры

137K

Комментарии
220

Анатолий Ализар
@alizar

автор, фрилансер

Telegram

Комментарии
Комментарии 220

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

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 России – большая экзотика. 

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

Первое в истории изображение водородной связи

Этот сайт может получать партнерские комиссионные за ссылки на этой странице. Условия эксплуатации.

Водородные связи лежат в основе жизни, какой мы ее знаем, и теперь ученым впервые удалось визуализировать эти временные молекулярные ассоциации. Группа исследователей из Китайского национального центра нанонауки и технологий и Университета Жэньминь использовала атомно-силовую микроскопию (АСМ) для получения изображения с высоким разрешением атомов, тянущихся, чтобы установить связь друг с другом. Химики много лет строили теории о расположении и появлении водородных связей, но теперь эти теории можно подвергнуть проверке.

Существуют различные типы химических связей, но водородные связи особенно неуловимы. Ранее в этом году отдельная группа исследователей смогла использовать АСМ для получения изображения разрыва и образования ковалентных связей во время химической реакции. Эти связи включают в себя совместное использование электронов на внешней оболочке атомов — они имеют гораздо более высокую энергию, и поэтому их легче обнаружить, чем водородные связи. Несмотря на то, что водородная связь более тонкая, она невероятно важна — она делает жизнь возможной. Например, водородные связи связывают вместе двойную спираль ДНК, а также обусловливают поверхностное натяжение воды.

Водородная связь – это всего лишь небольшая сила притяжения между атомом водорода и отрицательно заряженным атомом другой молекулы. Эти связи легче разорвать, чем другие связи, поэтому вода все еще течет, а не становится липкой или полутвердой. Любая молекула, обладающая необходимыми свойствами, может образовывать водородные связи, и в этом случае исследователи использовали 8-гидроксихинолин, потому что он значительно более стабилен, чем вода, и его легче визуализировать, чем ДНК.

Техника АСМ, используемая для обнаружения водородных связей, очень похожа на ту, что использовалась ранее для ковалентных связей. Исследователи охладили молекулы почти до абсолютного нуля, что замедлило их движение. Над молекулами проходил зонд, который колебался с частотой, резонирующей с медной пластиной, на которой они сидели. Используя оголенную медную поверхность в качестве базовой линии, дисперсия, измеренная с присутствующими молекулами, дала изображение сверхвысокого разрешения взаимодействий на атомном уровне. После совершенствования техники при очень низких температурах команда даже смогла получить изображения водородных связей при комнатной температуре.

Это не просто очередная абстрактная наука о сборе информации — это фундаментальный сдвиг в нашей способности наблюдать мельчайшие молекулярные структуры. «Бесконтактная» атомно-силовая микроскопия может визуализировать особенности молекул в гораздо меньшем масштабе, чем даже туннельный электронный микроскоп.

Достижения в АСМ могут привести к производству лучших лекарств, что часто зависит от тщательного изучения и контроля структуры молекул посредством сложных органических реакций. Ученые также могли бы узнать больше о том, как биохимические реакции функционируют на молекулярном уровне. Все проволочные изображения молекулярных структур в учебниках основаны на том, что мы можем сделать из таких тестов, как ядерный магнитный резонанс, но теперь мы можем знать наверняка.

Теперь прочтите: Ученые создают метки для отслеживания ДНК, которые вскоре могут быть использованы для отслеживания протестующих, а также животных )

Усовершенствованный метод микроскопии открывает новые аспекты воды на наноуровне — ScienceDaily

Новый метод микроскопии, разработанный в Университете Иллинойса в Чикаго, позволяет исследователям визуализировать жидкости на наноуровне — разрешение примерно в 10 раз выше, чем при традиционная просвечивающая электронная микроскопия — впервые.

Удерживая небольшое количество жидкости между двумя двумерными слоями нитрида бора, можно получить изображение жидкого образца с чрезвычайно высоким разрешением с использованием традиционного просвечивающего электронного микроскопа и методов спектроскопии. Такой подход может предоставить информацию о колебательном состоянии отдельных молекул.

Новый метод можно использовать для отслеживания наноразмерных индикаторов, используемых в биологических исследованиях, а также для визуализации процессов на границе жидкость-твердое тело с беспрецедентным разрешением. Используя свой специальный держатель для образцов или жидкую ячейку с нитридом бора, исследователи описывают уникальные свойства воды и тяжелой воды на наноуровне. Они сообщают о своих выводах в журнале Дополнительные материалы .

«Хотя может показаться странным сосредотачиваться на чем-то столь, казалось бы, хорошо изученном, как вода, все еще есть вещи, которые мы не понимаем, когда они ограничены наномасштабом», — сказал Роберт Кли, профессор физики UIC и старший автор исследования. бумага. «Так много приложений в энергетике, катализе, химии и биологии зависят от наноразмерных взаимодействий в воде, которые мы не смогли визуализировать с помощью доступных в настоящее время методов измерения».

«Используя нашу специализированную ячейку, мы можем наблюдать за колебательным поведением воды и начать исследовать, как она действует в чрезвычайно малых количествах, ограниченных слоями нитрида бора», — сказал Джейкоб Джокисаари, соавтор статьи и исследователь с докторской степенью. на факультете физики UIC.

Во-первых, исследователи должны были решить проблему выделения крошечных количеств жидкости при подготовке к сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, которая использует сфокусированный пучок электронов для изображения образцов. Обычно образцы должны быть заморожены или заключены в эпоксидную смолу, а затем нарезаны очень тонкими ломтиками перед помещением под электронный луч, где у пользователя есть всего несколько секунд, чтобы сфотографировать образец, прежде чем он испарится.

реклама

«Мы хотели изучить крошечные количества жидкости, и мы обратились к наноматериалам, чтобы инкапсулировать и поддерживать жидкость, не влияя на измерения», — сказал Кли. «Поскольку двумерные материалы состоят только из одного слоя атомов, они практически не влияют на электронный луч, используемый для изображения жидкости, но они достаточно прочны, чтобы удерживать пузырек жидкости внутри вакуума микроскопа».

После тестирования нескольких двумерных материалов исследователи наконец остановились на нанослоях нитрида бора. Этот материал способен содержать молекулы воды и прозрачен для инфракрасного излучения, создаваемого вибрирующими молекулами воды. Но прогресс был медленным.

«Это чрезвычайно крошечные и хрупкие кусочки материала — только на то, чтобы научиться держать их и обращаться с ними, ушли месяцы», — сказал Кли.

Команде потребовалось почти четыре года, чтобы поместить воду и ее родственницу, тяжелую воду, между слоями нитрида бора и разместить их в университетском просвечивающем электронном микроскопе.

«С помощью нашего микроскопа мы могли снизить энергетическое разрешение примерно до 350 миллиэлектронвольт, но мы знали, что нам нужно лучшее разрешение для измерения колебательных свойств воды. Нам нужен был доступ к лучшему микроскопу», — сказал Кли. Электрон-вольт — это единица измерения, которую можно использовать для описания энергии вибрирующих частиц.

Команда доставила свою ячейку с нитридом бора в Окриджскую национальную лабораторию Министерства энергетики в Теннесси, где исследователи из Центра наук о нанофазных материалах, пользовательского центра Министерства энергетики США, получили доступ к сканирующему просвечивающему электронному микроскопу с одним из лучшие в мире энергетические разрешения. Используя этот микроскоп, Кли и его коллеги смогли увидеть, что при выделении в крошечных количествах вода ведет себя по-другому.

«Мы увидели изменение частоты его вибраций, когда он содержался в небольших количествах в нашей клетке», — сказал Джордан Хачтел, научный сотрудник Окриджской национальной лаборатории и автор статьи.

Обычно вода в больших количествах вибрирует при 420 миллиэлектронвольтах, но Клие был свидетелем того, как вода, запертая в его клетке, вибрировала при 406 миллиэлектронвольтах.

Исследователи использовали электронный микроскоп с высоким разрешением, чтобы также визуализировать тяжелую воду, где вместо двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода, атомы водорода заменены дейтерием, который тяжелее водорода. Тяжелая вода часто используется для маркировки интересующих молекул в экспериментах. Хотя определить местонахождение тяжелой воды в клетках было возможно, никогда прежде она не визуализировалась с таким уровнем разрешения, который обеспечивает новая техника Кли.

Предыдущая работа рассматривает электрохимию воды на макро- или микрометрическом уровне, где свойства усредняются по большому объему. Но электрохимические реакции выглядят совсем по-другому, если рассматривать их в достаточно малых масштабах.

«Измерение того, как вода связывается и взаимодействует с другими веществами, например, на границе раздела, где вода соприкасается с чем-то другим, или взаимодействий, происходящих в воде, таких как коррозия металлов, до сих пор было невозможно на наноуровне», — сказал Йокисаари.