Содержание
Можно ли увидеть атом? | Novosti.Info
Структура вещества
Анастасия Макарова
Долго не могли ученые избавиться от искажений в системе магнитных линз электронного микроскопа, размывающих изображение и ухудшающих остроту электронного зрения…
И все же атом удалось увидеть! Причем электронный микроскоп вынужден был уступить честь этого выдающегося успеха значительно менее сложному прибору — ионному проектору.
Еще в середине двадцатых годов нашего столетия ученые подсчитали, что для превращения атома на поверхности вещества в ион и «холодного» отрыва его от поверхности без какого-либо подогрева необходимо между исследуемым веществом и посторонним электродом создать электрическое поле напряженностью в сто миллиардов вольт на сантиметр! Но в те годы получение столь сильных электрических полей в эксперименте считалось невозможным.
Фотография отдельных атомов в кристалле, полученная с помощью ионного проектора.
В 1936 году немецкий ученый Э. Мюллер доказал, что если исследуемое вещество представляет собой тончайшую иглу, острие которой будет иметь радиус кривизны около 1000 ангстрем, то, создавая между иглой и расположенным напротив электродом разность потенциалов всего в несколько киловольт, можно получить на кончике острия очень большие напряженности электрического поля. Когда острие иглы, приготовленное путем электрохимического травления концов обычных проволочек, связано с отрицательным электродом внешнего напряжения, из него будут вылетать свободные электроны; если острие соединить с положительным электродом — оно станет источником потока ионов. На пути вылетающих частиц можно поставить экран, покрытый люминофором, и получить видимое изображение частиц вещества, испускаемых острием.
В этих приборах, получивших название автоэлектронных микроскопов или ионных проекторов, нет магнитных линз, каких-либо систем фокусировки и развертки изображения. Увеличение в таком компактном и изящном приборе определяется в основном соотношением между радиусами острия и светящегося экрана.
Около двадцати лет длилось усовершенствование этих внешне простых микроскопов — выбирался состав газовых смесей для заполнения пространства между электродами, подбиралась система охлаждения образцов, изучались разнообразные способы непрерывной подачи на острие атомов исследуемого материала. И вот в 1956 году появились научные публикации Э. Мюллера с уникальными фотографиями, позволяющими разглядеть отдельные атомы на выступах поверхности металлических образцов. Лишь в 1970 году, увеличив ускоряющее напряжение в электронном микроскопе до сотен и тысяч киловольт, ученые повысили зоркость и этого прибора до атомных размеров.
На электронной фотографии белка видны плотно упакованные молекулы, соединенные в большой органический кристалл.
Физики продолжают совершенствовать приборы обоих типов. Созданы полезные дополнительные устройства для анализа тонких пленок и слоев на поверхности вещества с помощью электронных и ионных пучков.
В середине экрана автоэлектронного микроскопа исследователи сделали небольшое отверстие, пропустили в него часть сорванных с кончика острия ионов, разогнали их в магнитном поле и по величине отклонения от прямолинейного пути определили заряд и массу иона.
Направляя на поверхность образцов в электронном микроскопе не один электронный луч, а несколько, ученые смогли увидеть на экране изображение сразу всей кристаллической решетки в твердом теле. Электронные микроскопы нового поколения дали возможность японскому физику А. Хашимото проследить за движением атомов по поверхности вещества, а советским ученым Н. Д. Захарову и В. Н. Рожанскому — наблюдать смещения атомов внутри кристаллов.
Исследуя пленки золота, А. Хашимото сумел различить детали структуры кристаллов длиной в одну десятую ангстрема. Это уже во много раз меньше размера отдельного атома!
Теперь ученые могут перейти к исследованию мельчайших сдвигов во взаимном расположении отдельных атомов в самых больших и разветвленных органических молекулах, особенно в «молекулах жизни», передающих наследственные признаки живых существ от поколения к поколению, таких, как дезоксирибонуклеиновая кислота, чаще именуемая сокращенно ДНК.
В известном стихотворении О. Э. Мандельштама есть строчка: «Я и садовник, я же и цветок…»
Создавая все более совершенные инструменты для познания внешнего мира, физики все чаще обращаются к проникновению в тайны живого, понимая, что человек — самый сложный и непонятный цветок на свете.
Источник: Марк Колтун “Мир физики“.
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.
Увидев атомы — UND Today
3 декабря 2019 г.
Том Деннис
Опубликовано в: College of Arts & Sciences
«Невозможно», — сказали однажды физики, когда их спросили, смогут ли люди когда-либо видеть атомы. Сегодня физик Нури Онсел ответил бы: «Вполне возможно»
Нури Онсел, доцент кафедры физики и астрофизики, выступил с докладом «Вы когда-нибудь видели атом?» для серии лекций факультета от 20 ноября. Фото Патрика С. Миллера/UND Today.
Вы видите атом?
В своей недавней лекции на эту тему в Университете Северной Дакоты Нури Онсель, доцент кафедры физики и астрофизики, ответил на этот вопрос следующим образом:
№
Да.
И да.
Нет, вы не можете увидеть атом так, как мы привыкли «видеть» вещи, то есть используя способность наших глаз воспринимать свет. Онсел сказал, что атом просто слишком мал, чтобы отражать видимые световые волны, а это значит, что он не будет виден даже под самыми мощными фокусирующими свет микроскопами.
Но…
Да, вы можете увидеть атом, как только вы поймете, что мы можем исследовать поверхности с помощью пучков электронов, а не света. Сканирующие туннельные микроскопы генерируют электронные волны, которые могут взаимодействовать с атомами. По словам Онсела, микроскопы измеряют это взаимодействие и превращают эти показания в изображения атомов, часто с поразительной детализацией.
И …
Да, можно «видеть» атомы и дальним обзором. В случае с Онселем это привело его к изучению — на атомном уровне — технологически важных поверхностей кристаллов.
Кремний — это кристалл, и, разрезая куб кремния под разными углами, ученые могут создавать плоскости или плоские поверхности с различными узорами атомов. Si(111) относится к одной из таких плоскостей. Слева от этого слайда из презентации профессора Онселя в PowerPoint представлена схема атомной структуры поверхности Si(111). Справа представлено изображение этой поверхности, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа, раскрашенное для более четкого отображения атомной структуры.
Изображение предоставлено Нури Онсел/Университет Северной Дакоты.
Для дальнего обзора показано, как наблюдение — изучение, экспериментирование и манипулирование — атомами таким образом не только вносит свой вклад в совокупность человеческих знаний, но и помогает развивать экстраординарные технологии, которые произвели революцию в жизни на Земле.
Эти технологии включают настольный компьютер, ноутбук или смартфон, на котором вы читаете эту статью.
— Природа использует атомы для образования молекул и структур, — сказал Онсел.
«А то, что нам интересно, мы хотим делать сами. Мы хотим фактически контролировать атомы и размещать их в нужных местах, чтобы создавать полезные структуры. Это наша мотивация для всего этого».
Наблюдение за атомами с помощью электронной микроскопии позволяет создавать еще более компактные и быстрые компьютеры, а также удивительные новые материалы, такие как графен. Выделенный совсем недавно, в 2002 году, графен является первым когда-либо обнаруженным двумерным материалом.
Это решетка из атомов углерода толщиной всего в один атом, но в пропорции к своей толщине она в 100 раз прочнее стали.
«Я физик-экспериментатор, и моя цель — найти новые материалы с новыми физическими и химическими свойствами, — сказал Онсел.
Наблюдение за атомами помогает Онселю и его коллегам делать именно это.
Квантовая механика
Нури Онсел. Фото Патрика С. Миллера/UND Today.
Серия лекций для преподавателей — это возможность для преподавателей UND рассказать о своих исследованиях своим коллегам из других отделов, а также широкой публике. Это замечательная, но реальная задача — особенно в такой области, как физика, которая включает в себя продвинутую математику и другие труднообъяснимые концепции, — сказала Канишка Марасингхе, профессор и заведующая кафедрой физики и астрофизики UND.
«И это тем более верно в данном случае, потому что мы говорим о вещах, которые составляют одну стотысячную ширины волоса», — сказал Марасингхе UND сегодня, прямо перед тем, как представить Онсела публике.
«Мы никогда не видим этого своими глазами и даже не можем представить, насколько он мал. Итак, пытаться сказать людям, что мы имеем дело с вещами такого масштаба, а затем объяснять это даже хорошо информированной аудитории — да, это вызов».
Онсел принял вызов, описав не только полезность, но и красоту и чудо объектов атомарного масштаба.
Например, в то время как движение планет и других крупных объектов можно объяснить с помощью классической физики, для объяснения природы в ее мельчайших деталях требуется совершенно новая теория: квантовая физика.
Эта теория лежит в основе сканирующих туннельных микроскопов, один из которых находится в лаборатории Онсела. СТМ используют квантовое туннелирование, эффект, при котором электроны проходят через барьер из-за их волнообразных свойств.
Онсел использовал для иллюстрации анимированный мультфильм «Дорожный бегун». В мультфильме Койот рисует туннель на склоне горы. Затем он ждет Дорожного Бегуна, который приближается и мчится через туннель.
— Итак, моя машина похожа на Road Runner, — сказал Онсел, вызвав смех у публики.
Исследование: формализованное любопытство
Физика также может помочь предсказать будущее, отметил Онсел. Обратите внимание на цитату соучредителя Intel Гордона Мура: «Интегральные схемы приведут к таким чудесам, как домашние компьютеры… автоматическое управление автомобилями и персональное портативное коммуникационное оборудование».
Тогда учтите, что Мур сделал это наблюдение в 1965 году, и вы увидите, насколько полезным может быть близкое понимание атомного и субатомного мира, предложил Онсел.
Президент UND Джошуа Винн (справа) вручил Нури Онсел сертификат ведущего серии лекций UND для преподавателей. Фото Патрика С. Миллера/UND Today.
Что касается красоты, Онсел описал свое сотрудничество с NanoArt с Бетси Таден, учительницей рисования в средней школе Ред-Ривер в Гранд-Форксе.
В рамках этой информационно-просветительской работы Онсел показывает учащимся изображения атомных структур с помощью сканирующего туннельного микроскопа, а учащиеся превращают эти изображения в произведения искусства.
Как свидетельствуют яркие и красочные работы студентов, физика — это нечто большее, чем уравнения и абстракции, — сказал Онсел в своей лекции. В том-то и дело: донести до учащихся, что физика и другие науки могут вызывать не только понимание, но и радость.
— Как витражи в соборах Европы, — сказал Онсел.
«Чтобы создать цветное стекло, нужно знать чертовски много химии. … Все начинается с науки, и опытные художники знают и уважают эту науку».
Время от времени во время своего выступления Онсел описывал исследование, которое он и его сотрудники провели, и объяснял документы, которые были получены в результате. Заголовки этих статей — «Кулоновская блокада и отрицательное дифференциальное сопротивление при комнатной температуре: самоорганизующиеся квантовые точки на поверхности Si (110)» — могут быть трудны для понимания неспециалистом.
Но их цель не должна быть такой, заметил Онсел, поскольку все они являются выражением одной из самых фундаментальных и важных целей Университета: расширить наше понимание Вселенной посредством исследований.
И все они, по своей сути, являются попытками «увидеть» атомы во все более богатом и подробном виде. Ибо, как однажды сказал другой ученый: «Учитывая, насколько мал атом, удивительно, как много физики мы можем из него извлечь».
квантовая механика — Можно ли «увидеть» атомы? 9{-9}$ метров. Протоны, например, намного меньше, а атомы в некотором смысле настолько велики, что мы уже более ста лет знаем, что они не являются неделимыми, потому что мы видели в экспериментах, что это не так.
Можем ли мы «видеть» атомы? Это зависит, как я уже намекнул, что вы подразумеваете под «видеть». Если вы имеете в виду «сделать снимок в видимом свете», то вы не можете этого сделать. В микроскопии существует эмпирическое правило: мельчайшие объекты, которые вы можете различить с помощью идеально спроектированного микроскопа, должны иметь размер примерно в половину длины волны света, который вы в него направляете. Более точная версия этого известна как предел дифракции Аббе. Видимый свет имеет длину волны около 400-700 нанометров.
Это, конечно, примерно в 4000-7000 раз больше диаметра атома, поэтому мы действительно не можем увидеть атом с помощью (дифракционного) микроскопа, использующего свет. [Как предложено в комментариях, существует ряд методов обойти дифракционный предел Аббе, частично использующих методы, сильно отличающиеся от обычной микроскопии. Однако кажется, что разрешение атомов еще не достигнуто.]
Но помимо света мы можем использовать и другие вещи. Мы могли бы, например, использовать электроны вместо света. Квантовая механика говорит нам, что у электронов, как и у света и всего остального, есть длина волны. Конечно, такой микроскоп выглядит немного иначе, чем световой микроскоп, потому что у людей нет хорошего механизма обнаружения электронов. Это означает, что для того, чтобы сделать изображение из преломленных и дифрагированных электронов, нам нужно использовать электронные датчики, а затем воссоздать изображение. Этот тип микроскопа, который я только что описал, является более или менее трансмиссионным электронным микроскопом (ПЭМ), и они существуют уже давно.
Сегодня такие типы микроскопов имеют разрешение около 0,05 нм (иногда говорят, что обычные TEMS имеют разрешение примерно в 1000 раз лучше, чем разрешение световых микроскопов, но с помощью некоторых методов коррекции можно достичь разрешения 0,05 нм и, возможно, ниже). Этого достаточно, чтобы увидеть атом (см. здесь раннее изображение, другой ответ содержит лучшие и более свежие изображения), но, вероятно, этого недостаточно, чтобы увидеть изображение, на которое вы ссылаетесь, с немного лучшим разрешением.
[Примечание: несколько лет назад для получения такого изображения вам определенно понадобился микроскоп, о котором я расскажу в следующем разделе, сегодня вы можете получить его и с помощью ПЭМ. Другими словами: сегодня вы можете «увидеть» атомы с электронами.]
Итак, как мы получили это:
Но в Википедии есть изображение, на котором видны атомы кремния, наблюдаемые на поверхности кристаллов карбида кремния.
Мы должны использовать электронный микроскоп другого типа, сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).