Πότε τραβήχτηκαν οι πρώτες φωτογραφίες μορίων; Άτομα και μόρια. "Marking on Oxygen Molecules" της Yasmine Crawford

Σας προσφέρουμε να αξιολογήσετε τις φωτογραφίες των φιναλίστ, διεκδικώντας τον τίτλο του «Φωτογράφου της Χρονιάς» από τη Royal Photographic Society. Ο νικητής θα ανακοινωθεί στις 7 Οκτωβρίου και η έκθεση με τα καλύτερα έργα θα πραγματοποιηθεί από τις 7 Οκτωβρίου έως τις 5 Ιανουαρίου στο Μουσείο Επιστημών του Λονδίνου.

Έκδοση PM

Soap Bubble Structure από την Kim Cox

Οι σαπουνόφουσκες βελτιστοποιούν το χώρο μέσα τους και ελαχιστοποιούν την επιφάνεια τους για δεδομένο όγκο αέρα. Αυτό τα καθιστά χρήσιμο αντικείμενο μελέτης σε πολλούς τομείς, ιδίως στον τομέα της επιστήμης των υλικών. Τα τοιχώματα των φυσαλίδων φαίνεται να ρέουν προς τα κάτω υπό την επίδραση της βαρύτητας: είναι λεπτά στην κορυφή και παχιά στο κάτω μέρος.

"Marking on Oxygen Molecules" της Yasmine Crawford

Η εικόνα είναι μέρος του τελευταίου μεγάλου έργου του συγγραφέα για μεταπτυχιακό στη φωτογραφία στο Πανεπιστήμιο Falmouth, όπου το επίκεντρο ήταν η μυαλγική εγκεφαλομυελίτιδα. Ο Crawford λέει ότι δημιουργεί εικόνες που μας συνδέουν με το διφορούμενο και το άγνωστο.

«Ηρεμία της αιωνιότητας», συγγραφέας Evgeny Samuchenko

Η φωτογραφία τραβήχτηκε στα Ιμαλάια στη λίμνη Gosaikunda σε υψόμετρο 4400 μέτρων. Ο Γαλαξίας είναι ένας γαλαξίας που περιλαμβάνει το ηλιακό μας σύστημα: μια ασαφή λωρίδα φωτός στον νυχτερινό ουρανό.

«Σκαθαρός μπερδεμένου αλευριού» του Ντέιβιντ Σπίαρς

Αυτό το μικρό παράσιτο σκαθάρι προσβάλλει τα δημητριακά και τα προϊόντα αλευριού. Η εικόνα τραβήχτηκε με Ηλεκτρονική Μικρογραφία σάρωσης και στη συνέχεια χρωματίστηκε στο Photoshop.

Το νεφέλωμα της Βόρειας Αμερικής του Ντέιβ Γουάτσον

Το νεφέλωμα της Βόρειας Αμερικής NGC7000 είναι ένα νεφέλωμα εκπομπής στον αστερισμό του Κύκνου. Το σχήμα του νεφελώματος μοιάζει με το σχήμα της Βόρειας Αμερικής - μπορείτε να δείτε ακόμη και τον Κόλπο του Μεξικού.

Σκαθάρι ελάφι του Βίκτωρ Σικόρα

Ο φωτογράφος χρησιμοποίησε μικροσκόπιο φωτός με μεγέθυνση πέντε φορές.

Τηλεσκόπιο Lovell της Marge Bradshaw

«Έχω γοητευτεί από το τηλεσκόπιο Lovell στην τράπεζα Jodrell από τότε που το είδα σε μια σχολική εκδρομή», λέει ο Bradshaw. Ήθελε να βγάλει μερικές πιο λεπτομερείς φωτογραφίες για να δείξει τη φθορά του.

«Μέδουσα Ανάποδα» της Mary Ann Chilton

Αντί για κολύμπι, αυτό το είδος περνάει τον χρόνο του παλλόμενος στο νερό. Το χρώμα της μέδουσας είναι αποτέλεσμα της κατανάλωσης φυκιών.

άλλες παρουσιάσεις για τη μοριακή φυσική

"Ενέργεια Πυρηνικής Δέσμευσης" - Στοιχεία με αριθμούς μάζας από 50 έως 60 έχουν τη μέγιστη ενέργεια δέσμευσης (8,6 MeV/νουκλεόνιο) - Ελάττωμα μάζας. Οι δυνάμεις Coulomb τείνουν να σπάσουν τον πυρήνα. Η ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων στην επιφάνεια είναι μικρότερη από αυτή των νουκλεονίων μέσα στον πυρήνα. Uchim.net. Ενέργεια δέσμευσης ατομικών πυρήνων. Ειδική δεσμευτική ενέργεια. Η εξίσωση του Αϊνστάιν μεταξύ μάζας και ενέργειας:

"Η δομή του ατομικού πυρήνα" - Θάλαμος νεφών μετρητής Geiger. Ράδιο (ακτινοβόλο). Η χρήση ραδιενεργής ακτινοβολίας. Marie Sklodowska-Curie και Pierre Curie. Becquerel Antoine Henri - 1897 Η θερμοπυρηνική σύντηξη είναι η αντίδραση σύντηξης ελαφρών πυρήνων. Αριθμός μάζας - η μάζα του πυρήνα, ο αριθμός των νουκλεονίων, ο αριθμός των νετρονίων M-Z. Πολώνιο. Αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση.

«Εφαρμογή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου» - Κρατικό εκπαιδευτικό ίδρυμα NPO Επαγγελματικό Λύκειο Νο 15. Η ιστορία της ανακάλυψης και μελέτης του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Συμπλήρωσε: δασκάλα φυσικής Varlamova Marina Viktorovna. Η εξίσωση του Αϊνστάιν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Α. Αϊνστάιν. παρατήρηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Stoletov A.G. Η ισχύς του ρεύματος κορεσμού είναι ανάλογη με την ένταση της ακτινοβολίας που προσπίπτει στην κάθοδο.

«Η δομή του πυρήνα του ατόμου» - Α. 10 -12. Ραδιενεργός μετασχηματισμός ατομικών πυρήνων. Κατά συνέπεια, η ακτινοβολία αποτελείται από ρεύματα θετικών σωματιδίων, αρνητικών και ουδέτερων. 13 - 15. 1896 Ο Ανρί Μπεκερέλ (Γάλλος) ανακάλυψε το φαινόμενο της ραδιενέργειας. Συμβολίζεται - , έχει μάζα; 1 π.μ. και το φορτίο είναι ίσο με το φορτίο του ηλεκτρονίου. 5. Το άτομο είναι ουδέτερο, γιατί το φορτίο του πυρήνα είναι ίσο με το συνολικό φορτίο των ηλεκτρονίων.

"Η σύνθεση του ατομικού πυρήνα" - Αριθμός μάζας. ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ - ελκτικές δυνάμεις που δεσμεύουν πρωτόνια και νετρόνια στον πυρήνα. Πυρηνικές δυνάμεις. Γενική άποψη του χαρακτηρισμού του πυρήνα. Αριθμός χρέωσης. Ο αριθμός φορτίου είναι ίσος με το φορτίο του πυρήνα, εκφρασμένο σε στοιχειώδη ηλεκτρικά φορτία. Ο αριθμός φορτίου είναι ίσος με τον αύξοντα αριθμό του χημικού στοιχείου. Πολλές φορές μεγαλύτερες από τις δυνάμεις του Κουλόμπ.

"Plasma Synthesis" - Η περίοδος κατασκευής είναι 8-10 χρόνια. Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας. Κατασκευή και υποδομή του ITER. Δημιουργία ΤΟΚΑΜΑΚ. Παράμετροι σχεδίασης ITER. Δημιουργία ITER (ITER). 5. Κόστος κατά προσέγγιση 5 δισ. ευρώ. Θερμοπυρηνικά όπλα. Η συμβολή της Ρωσίας στον αντιδραστήρα ITER. 2. Το πλεονέκτημα της θερμοπυρηνικής ενέργειας. Απαιτήσεις ενέργειας.

Άτομο υδρογόνου που συλλαμβάνει σύννεφα ηλεκτρονίων. Και παρόλο που οι σύγχρονοι φυσικοί μπορούν ακόμη και να προσδιορίσουν το σχήμα ενός πρωτονίου με τη βοήθεια επιταχυντών, το άτομο υδρογόνου, προφανώς, θα παραμείνει το μικρότερο αντικείμενο, η εικόνα του οποίου είναι λογικό να ονομάζεται φωτογραφία. Το «Lenta.ru» παρουσιάζει μια επισκόπηση των σύγχρονων μεθόδων φωτογράφησης του μικροκόσμου.

Αυστηρά μιλώντας, δεν υπάρχει σχεδόν καμία συνηθισμένη φωτογραφία στις μέρες μας. Οι εικόνες που συνήθως ονομάζουμε φωτογραφίες και μπορούν να βρεθούν, για παράδειγμα, σε οποιοδήποτε φωτογραφικό δοκίμιο του Lenta.ru, είναι στην πραγματικότητα μοντέλα υπολογιστών. Μια φωτοευαίσθητη μήτρα σε μια ειδική συσκευή (παραδοσιακά ονομάζεται ακόμα "κάμερα") καθορίζει τη χωρική κατανομή της έντασης του φωτός σε πολλές διαφορετικές φασματικές περιοχές, η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου αποθηκεύει αυτά τα δεδομένα σε ψηφιακή μορφή και στη συνέχεια ένα άλλο ηλεκτρονικό κύκλωμα, που βασίζεται σε αυτά τα δεδομένα, δίνει μια εντολή στα τρανζίστορ στην οθόνη υγρών κρυστάλλων. Φιλμ, χαρτί, ειδικές λύσεις για την επεξεργασία τους - όλα αυτά έχουν γίνει εξωτικά. Και αν θυμηθούμε την κυριολεκτική σημασία της λέξης, τότε η φωτογραφία είναι "ελαφριά ζωγραφική". Τι να πω λοιπόν ότι τα κατάφεραν οι επιστήμονες να φωτογραφίσειένα άτομο, είναι δυνατό μόνο με αρκετή συμβατικότητα.

Περισσότερες από τις μισές αστρονομικές εικόνες έχουν γίνει εδώ και καιρό από τηλεσκόπια υπέρυθρων, υπεριωδών ακτίνων και ακτίνων Χ. Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια ακτινοβολούν όχι με φως, αλλά με δέσμη ηλεκτρονίων, ενώ τα μικροσκόπια ατομικής δύναμης σαρώνουν το ανάγλυφο του δείγματος με μια βελόνα. Υπάρχουν μικροσκόπια ακτίνων Χ και σαρωτές μαγνητικής τομογραφίας. Όλες αυτές οι συσκευές μας δίνουν ακριβείς εικόνες διαφόρων αντικειμένων, και παρά το γεγονός ότι, φυσικά, δεν είναι απαραίτητο να μιλάμε για "ελαφριά ζωγραφική" εδώ, εξακολουθούμε να επιτρέπουμε στους εαυτούς μας να αποκαλούμε τέτοιες εικόνες φωτογραφίες.

Πειράματα από φυσικούς για τον προσδιορισμό του σχήματος ενός πρωτονίου ή της κατανομής των κουάρκ μέσα στα σωματίδια θα παραμείνουν στο παρασκήνιο. Η ιστορία μας θα περιοριστεί στην κλίμακα των ατόμων.

Τα οπτικά δεν γερνούν ποτέ

Όπως αποδείχτηκε στο δεύτερο μισό του 20ού αιώνα, τα οπτικά μικροσκόπια έχουν ακόμη περιθώριο ανάπτυξης. Μια καθοριστική στιγμή στη βιολογική και ιατρική έρευνα ήταν η εμφάνιση φθοριζόντων βαφών και μεθόδων για την επιλεκτική επισήμανση ορισμένων ουσιών. Δεν ήταν «απλώς νέα μπογιά», ήταν μια πραγματική επανάσταση.

Σε αντίθεση με την κοινή παρανόηση, ο φθορισμός δεν είναι καθόλου λάμψη στο σκοτάδι (ο τελευταίος ονομάζεται φωταύγεια). Αυτό είναι το φαινόμενο της απορρόφησης κβαντών μιας συγκεκριμένης ενέργειας (ας πούμε, μπλε φως) με την επακόλουθη εκπομπή άλλων κβαντών χαμηλότερης ενέργειας και, κατά συνέπεια, ενός διαφορετικού φωτός (όταν απορροφάται το μπλε, θα εκπέμπεται πράσινο). Εάν τοποθετήσετε ένα φίλτρο που επιτρέπει μόνο τα κβάντα που εκπέμπονται από τη βαφή να περάσουν και εμποδίζει το φως που προκαλεί φθορισμό, μπορείτε να δείτε ένα σκούρο φόντο με φωτεινές κηλίδες χρωστικών και οι βαφές, με τη σειρά τους, μπορούν να χρωματίσουν το δείγμα εξαιρετικά επιλεκτικά .

Για παράδειγμα, μπορείτε να χρωματίσετε τον κυτταροσκελετό ενός νευρικού κυττάρου με κόκκινο χρώμα, να επισημάνετε τις συνάψεις με πράσινο και να τονίσετε τον πυρήνα με μπλε. Μπορείτε να δημιουργήσετε μια φθορίζουσα ετικέτα που θα σας επιτρέψει να ανιχνεύσετε υποδοχείς πρωτεΐνης στη μεμβράνη ή μόρια που συντίθενται από το κύτταρο υπό ορισμένες συνθήκες. Η μέθοδος της ανοσοϊστοχημικής χρώσης έχει φέρει επανάσταση στη βιολογική επιστήμη. Και όταν οι γενετικοί μηχανικοί έμαθαν πώς να φτιάχνουν διαγονιδιακά ζώα με φθορίζουσες πρωτεΐνες, αυτή η μέθοδος γνώρισε μια αναγέννηση: ποντίκια με νευρώνες βαμμένους σε διαφορετικά χρώματα έγιναν πραγματικότητα, για παράδειγμα.

Επιπλέον, οι μηχανικοί βρήκαν (και άσκησαν) μια μέθοδο της λεγόμενης ομοεστιακής μικροσκοπίας. Η ουσία του έγκειται στο γεγονός ότι το μικροσκόπιο εστιάζει σε ένα πολύ λεπτό στρώμα και ένα ειδικό διάφραγμα κόβει το φως που δημιουργείται από αντικείμενα έξω από αυτό το στρώμα. Ένα τέτοιο μικροσκόπιο μπορεί να σαρώσει διαδοχικά ένα δείγμα από πάνω προς τα κάτω και να λάβει μια στοίβα εικόνων, η οποία είναι μια έτοιμη βάση για ένα τρισδιάστατο μοντέλο.

Η χρήση λέιζερ και εξελιγμένων συστημάτων ελέγχου οπτικής δέσμης κατέστησε δυνατή την επίλυση του προβλήματος της εξασθένισης της βαφής και της ξήρανσης ευαίσθητων βιολογικών δειγμάτων κάτω από έντονο φως: η δέσμη λέιζερ σαρώνει το δείγμα μόνο όταν είναι απαραίτητο για απεικόνιση. Και για να μην χάνουμε χρόνο και προσπάθεια για την εξέταση ενός μεγάλου παρασκευάσματος μέσω ενός προσοφθάλμιου φακού με στενό οπτικό πεδίο, οι μηχανικοί πρότειναν ένα σύστημα αυτόματης σάρωσης: μπορείτε να βάλετε ένα ποτήρι με ένα δείγμα στο στάδιο του αντικειμένου ενός σύγχρονου μικροσκοπίου και η συσκευή θα καταγράψει ανεξάρτητα μια μεγάλης κλίμακας πανόραμα ολόκληρου του δείγματος. Ταυτόχρονα, στα σωστά σημεία, θα εστιάσει, και στη συνέχεια θα κολλήσει πολλά καρέ μεταξύ τους.

Ορισμένα μικροσκόπια μπορούν να φιλοξενήσουν ζωντανά ποντίκια, αρουραίους ή τουλάχιστον μικρά ασπόνδυλα. Άλλα δίνουν μια μικρή αύξηση, αλλά συνδυάζονται με ακτινογραφικό μηχάνημα. Πολλά είναι τοποθετημένα σε ειδικά τραπέζια βάρους αρκετών τόνων σε εσωτερικούς χώρους με προσεκτικά ελεγχόμενο μικροκλίμα για την εξάλειψη των παρεμβολών κραδασμών. Το κόστος τέτοιων συστημάτων υπερβαίνει το κόστος άλλων ηλεκτρονικών μικροσκοπίων και οι διαγωνισμοί για το πιο όμορφο πλαίσιο έχουν γίνει παράδοση εδώ και πολύ καιρό. Επιπλέον, η βελτίωση της οπτικής συνεχίζεται: από την αναζήτηση των καλύτερων τύπων γυαλιού και την επιλογή των βέλτιστων συνδυασμών φακών, οι μηχανικοί έχουν προχωρήσει σε τρόπους εστίασης του φωτός.

Παραθέσαμε συγκεκριμένα μια σειρά από τεχνικές λεπτομέρειες για να δείξουμε ότι η πρόοδος στον τομέα της βιολογικής έρευνας έχει συνδεθεί από καιρό με την πρόοδο σε άλλους τομείς. Εάν δεν υπήρχαν υπολογιστές ικανοί να μετρούν αυτόματα τον αριθμό των χρωματισμένων κυττάρων σε αρκετές εκατοντάδες φωτογραφίες, τα υπερμικροσκόπια θα ήταν ελάχιστα χρήσιμα. Και χωρίς φθορίζουσες χρωστικές, όλα τα εκατομμύρια κύτταρα δεν θα μπορούσαν να διακριθούν μεταξύ τους, επομένως θα ήταν σχεδόν αδύνατο να παρακολουθήσουμε το σχηματισμό νέων ή τον θάνατο παλαιών.

Στην πραγματικότητα, το πρώτο μικροσκόπιο ήταν ένας σφιγκτήρας με έναν σφαιρικό φακό συνδεδεμένο σε αυτό. Ένα ανάλογο ενός τέτοιου μικροσκοπίου μπορεί να είναι ένα απλό τραπουλόχαρτο με μια τρύπα και μια σταγόνα νερό. Σύμφωνα με ορισμένες αναφορές, τέτοιες συσκευές χρησιμοποιήθηκαν από ανθρακωρύχους χρυσού στο Kolyma ήδη τον περασμένο αιώνα.

Πέρα από το όριο περίθλασης

Τα οπτικά μικροσκόπια έχουν ένα βασικό μειονέκτημα. Το γεγονός είναι ότι είναι αδύνατο να αποκατασταθεί το σχήμα εκείνων των αντικειμένων που αποδείχθηκε ότι ήταν πολύ μικρότερα από το μήκος κύματος από το σχήμα των κυμάτων φωτός: μπορείτε εξίσου καλά να προσπαθήσετε να εξετάσετε τη λεπτή υφή του υλικού με το χέρι σας σε ένα χοντρό γάντι συγκόλλησης.

Οι περιορισμοί που δημιουργούνται από την περίθλαση έχουν εν μέρει ξεπεραστεί και χωρίς να παραβιάζονται οι νόμοι της φυσικής. Δύο περιστάσεις βοηθούν τα οπτικά μικροσκόπια να βουτήξουν κάτω από το φράγμα περίθλασης: το γεγονός ότι κατά τη διάρκεια του φθορισμού κβάντα εκπέμπονται από μεμονωμένα μόρια βαφής (τα οποία μπορεί να είναι αρκετά μακριά το ένα από το άλλο) και το γεγονός ότι με την υπέρθεση κυμάτων φωτός είναι δυνατό να ληφθεί ένα φωτεινό κηλίδα με διάμετρο μικρότερη από το μήκος κύματος.

Όταν τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο, τα κύματα φωτός μπορούν να αλληλοεξουδετερωθούν, επομένως, οι παράμετροι φωτισμού του δείγματος είναι τέτοιες ώστε η μικρότερη δυνατή περιοχή να πέφτει στη φωτεινή περιοχή. Σε συνδυασμό με μαθηματικούς αλγόριθμους που μπορούν, για παράδειγμα, να αφαιρέσουν τα είδωλα, αυτός ο κατευθυντικός φωτισμός προσφέρει δραματική βελτίωση στην ποιότητα της εικόνας. Γίνεται, για παράδειγμα, δυνατό να εξεταστούν ενδοκυτταρικές δομές με οπτικό μικροσκόπιο και ακόμη (συνδυάζοντας την περιγραφόμενη μέθοδο με ομοεστιακή μικροσκοπία) να ληφθούν οι τρισδιάστατες εικόνες τους.

Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο πριν από ηλεκτρονικά όργανα

Για να ανακαλύψουν άτομα και μόρια, οι επιστήμονες δεν έπρεπε να τα κοιτάξουν - η μοριακή θεωρία δεν χρειαζόταν να δει το αντικείμενο. Αλλά η μικροβιολογία έγινε δυνατή μόνο μετά την εφεύρεση του μικροσκοπίου. Ως εκ τούτου, στην αρχή, τα μικροσκόπια συνδέονταν ακριβώς με την ιατρική και τη βιολογία: φυσικοί και χημικοί που μελέτησαν πολύ μικρότερα αντικείμενα που διαχειρίζονταν με άλλα μέσα. Όταν ήθελαν επίσης να δουν τον μικρόκοσμο, οι περιορισμοί περίθλασης έγιναν σοβαρό πρόβλημα, ειδικά επειδή οι μέθοδοι μικροσκοπίας φθορισμού που περιγράφηκαν παραπάνω ήταν ακόμη άγνωστες. Και δεν έχει νόημα να αυξηθεί η ανάλυση από 500 σε 100 νανόμετρα, εάν το αντικείμενο που εξετάζεται είναι ακόμη μικρότερο!

Γνωρίζοντας ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να συμπεριφέρονται τόσο ως κύμα όσο και ως σωματίδιο, φυσικοί από τη Γερμανία δημιούργησαν έναν ηλεκτρονικό φακό το 1926. Η ιδέα στηριζόμενη σε αυτό ήταν πολύ απλή και κατανοητή σε κάθε μαθητή: δεδομένου ότι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εκτρέπει τα ηλεκτρόνια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αλλάξει το σχήμα της δέσμης αυτών των σωματιδίων τραβώντας τα μακριά ή, αντίθετα, για να μειώσει τη διάμετρο το δοκάρι. Πέντε χρόνια αργότερα, το 1931, ο Ernst Ruska και ο Max Knoll κατασκεύασαν το πρώτο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο στον κόσμο. Στη συσκευή, το δείγμα φωτίστηκε αρχικά από μια δέσμη ηλεκτρονίων και στη συνέχεια ο ηλεκτρονικός φακός επέκτεινε τη δέσμη που περνούσε πριν πέσει σε μια ειδική φωταυγή οθόνη. Το πρώτο μικροσκόπιο έδωσε μεγέθυνση μόνο 400 φορές, αλλά η αντικατάσταση του φωτός με ηλεκτρόνια άνοιξε το δρόμο για φωτογράφηση με μεγέθυνση εκατοντάδες χιλιάδες φορές: οι σχεδιαστές έπρεπε μόνο να ξεπεράσουν μερικά τεχνικά εμπόδια.

Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο κατέστησε δυνατή την εξέταση της δομής των κυττάρων σε μια ποιότητα που προηγουμένως ήταν ανέφικτη. Αλλά από αυτή την εικόνα είναι αδύνατο να κατανοήσουμε την ηλικία των κυττάρων και την παρουσία ορισμένων πρωτεϊνών σε αυτά, και αυτές οι πληροφορίες είναι πολύ απαραίτητες για τους επιστήμονες.

Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια επιτρέπουν πλέον κοντινές φωτογραφίες ιών. Υπάρχουν διάφορες τροποποιήσεις συσκευών που επιτρέπουν όχι μόνο να λάμπουν μέσα από λεπτές τομές, αλλά και να τις εξετάζουν στο "ανακλώμενο φως" (σε ανακλώμενα ηλεκτρόνια, φυσικά). Δεν θα μιλήσουμε λεπτομερώς για όλες τις επιλογές για μικροσκόπια, αλλά σημειώνουμε ότι πρόσφατα οι ερευνητές έμαθαν πώς να επαναφέρουν μια εικόνα από ένα μοτίβο περίθλασης.

Αγγίξτε, όχι δείτε

Μια άλλη επανάσταση ήρθε σε βάρος μιας περαιτέρω απομάκρυνσης από την αρχή του «φώτισε και δες». Ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, καθώς και ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας, δεν λάμπουν πλέον στην επιφάνεια των δειγμάτων. Αντίθετα, μια ιδιαίτερα λεπτή βελόνα κινείται σε όλη την επιφάνεια, η οποία κυριολεκτικά αναπηδά ακόμη και σε εξογκώματα μεγέθους ενός μόνο ατόμου.

Χωρίς να υπεισέλθουμε στις λεπτομέρειες όλων αυτών των μεθόδων, σημειώνουμε το κύριο πράγμα: η βελόνα ενός μικροσκοπίου σήραγγας όχι μόνο μπορεί να μετακινηθεί κατά μήκος της επιφάνειας, αλλά και να χρησιμοποιηθεί για την αναδιάταξη των ατόμων από μέρος σε μέρος. Έτσι οι επιστήμονες δημιουργούν επιγραφές, σχέδια, ακόμη και κινούμενα σχέδια στα οποία ένα ζωγραφισμένο αγόρι παίζει με ένα άτομο. Ένα πραγματικό άτομο ξένου που σύρεται από την άκρη ενός μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας.

Το μικροσκόπιο σήραγγας ονομάζεται επειδή χρησιμοποιεί την επίδραση του ρεύματος σήραγγας που ρέει μέσω της βελόνας: τα ηλεκτρόνια περνούν μέσα από το διάκενο μεταξύ της βελόνας και της επιφάνειας λόγω του φαινομένου της σήραγγας που προβλέπεται από την κβαντομηχανική. Αυτή η συσκευή χρειάζεται ηλεκτρική σκούπα για να λειτουργήσει.

Το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM) είναι πολύ λιγότερο απαιτητικό για τις περιβαλλοντικές συνθήκες - μπορεί (με ορισμένους περιορισμούς) να λειτουργήσει χωρίς άντληση αέρα. Κατά μία έννοια, το AFM είναι ο διάδοχος της νανοτεχνολογίας του γραμμόφωνου. Μια βελόνα τοποθετημένη σε ένα λεπτό και εύκαμπτο στήριγμα προβόλου ( υποστήριγμακαι υπάρχει ένα «στήριγμα»), κινείται κατά μήκος της επιφάνειας χωρίς να εφαρμόζει τάση σε αυτήν και ακολουθεί το ανάγλυφο του δείγματος με τον ίδιο τρόπο όπως η βελόνα του γραμμοφώνου ακολουθεί κατά μήκος των αυλακώσεων ενός δίσκου γραμμοφώνου. Η κάμψη του προβόλου προκαλεί την απόκλιση του καθρέφτη που είναι στερεωμένος πάνω του, ο καθρέφτης εκτρέπει τη δέσμη λέιζερ και αυτό καθιστά δυνατό τον ακριβή προσδιορισμό του σχήματος του υπό μελέτη δείγματος. Το κύριο πράγμα είναι να έχετε ένα αρκετά ακριβές σύστημα για τη μετακίνηση της βελόνας, καθώς και μια παροχή βελόνων που πρέπει να είναι τέλεια αιχμηρές. Η ακτίνα καμπυλότητας στις άκρες τέτοιων βελόνων δεν μπορεί να υπερβαίνει το ένα νανόμετρο.

Το AFM σάς επιτρέπει να βλέπετε μεμονωμένα άτομα και μόρια, αλλά, όπως ένα μικροσκόπιο σήραγγας, δεν σας επιτρέπει να κοιτάξετε κάτω από την επιφάνεια του δείγματος. Με άλλα λόγια, οι επιστήμονες πρέπει να επιλέξουν μεταξύ του να μπορούν να δουν τα άτομα και να μπορούν να μελετήσουν ολόκληρο το αντικείμενο. Ωστόσο, ακόμη και για τα οπτικά μικροσκόπια, το εσωτερικό των δειγμάτων που μελετήθηκαν δεν είναι πάντα προσβάσιμο, επειδή τα ορυκτά ή τα μέταλλα συνήθως μεταδίδουν ελάχιστα το φως. Επιπλέον, εξακολουθούν να υπάρχουν δυσκολίες με τη φωτογράφηση ατόμων - αυτά τα αντικείμενα εμφανίζονται ως απλές μπάλες, το σχήμα των νεφών ηλεκτρονίων δεν είναι ορατό σε τέτοιες εικόνες.

Η ακτινοβολία Synchrotron, η οποία εμφανίζεται κατά την επιβράδυνση των φορτισμένων σωματιδίων που διασκορπίζονται από επιταχυντές, καθιστά δυνατή τη μελέτη των απολιθωμένων υπολειμμάτων των προϊστορικών ζώων. Περιστρέφοντας το δείγμα κάτω από ακτίνες Χ, μπορούμε να λάβουμε τρισδιάστατες τομογραφίες - έτσι, για παράδειγμα, βρέθηκε ο εγκέφαλος μέσα στο κρανίο ψαριού που εξαφανίστηκε πριν από 300 εκατομμύρια χρόνια. Μπορείτε να κάνετε χωρίς περιστροφή, εάν η καταγραφή της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας είναι σταθεροποιώντας τις ακτίνες Χ που διασκορπίζονται λόγω της περίθλασης.

Και δεν είναι όλες αυτές οι πιθανότητες που ανοίγουν οι ακτινογραφίες. Όταν ακτινοβολούνται με αυτό, πολλά υλικά φθορίζουν και η χημική σύνθεση μιας ουσίας μπορεί να προσδιοριστεί από τη φύση του φθορισμού: με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες χρωματίζουν αρχαία αντικείμενα, έργα του Αρχιμήδη που σβήστηκαν κατά τον Μεσαίωνα ή το χρώμα των φτερών. πτηνών που έχουν εξαφανιστεί από καιρό.

Τοποθέτηση ατόμων

Με φόντο όλες τις δυνατότητες που παρέχουν οι μέθοδοι ακτίνων Χ ή οπτικού φθορισμού, ένας νέος τρόπος φωτογράφησης μεμονωμένων ατόμων δεν φαίνεται πλέον τόσο μεγάλη ανακάλυψη στην επιστήμη. Η ουσία της μεθόδου που κατέστησε δυνατή τη λήψη των εικόνων που παρουσιάστηκαν αυτή την εβδομάδα είναι η εξής: τα ηλεκτρόνια αφαιρούνται από ιονισμένα άτομα και στέλνονται σε έναν ειδικό ανιχνευτή. Κάθε πράξη ιονισμού αφαιρεί ένα ηλεκτρόνιο από μια συγκεκριμένη θέση και δίνει ένα σημείο στη «φωτογραφία». Έχοντας συσσωρεύσει αρκετές χιλιάδες τέτοια σημεία, οι επιστήμονες σχημάτισαν μια εικόνα που δείχνει τις πιο πιθανές θέσεις για την εύρεση ενός ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου, και αυτό, εξ ορισμού, είναι ένα νέφος ηλεκτρονίων.

Συμπερασματικά, ας πούμε ότι η ικανότητα να βλέπουμε μεμονωμένα άτομα με τα ηλεκτρονιακά τους νέφη μοιάζει περισσότερο με ένα κεράσι στο κέικ της σύγχρονης μικροσκοπίας. Ήταν σημαντικό για τους επιστήμονες να μελετήσουν τη δομή των υλικών, να μελετήσουν κύτταρα και κρυστάλλους και η ανάπτυξη τεχνολογιών που προέκυψαν από αυτό κατέστησε δυνατή την επίτευξη του ατόμου υδρογόνου. Οτιδήποτε λιγότερο είναι ήδη η σφαίρα ενδιαφέροντος των ειδικών στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Και οι βιολόγοι, οι επιστήμονες υλικών και οι γεωλόγοι εξακολουθούν να έχουν χώρο να βελτιώσουν τα μικροσκόπια ακόμη και με μια μάλλον μέτρια μεγέθυνση σε σύγκριση με τα άτομα. Οι ειδικοί στη νευροφυσιολογία, για παράδειγμα, ήθελαν από καιρό να έχουν μια συσκευή που να μπορεί να δει μεμονωμένα κύτταρα μέσα σε έναν ζωντανό εγκέφαλο και οι δημιουργοί των ρόβερ θα πουλούσαν τις ψυχές τους για ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο που θα χωρούσε σε ένα διαστημόπλοιο και θα μπορούσε να λειτουργήσει στον Άρη.

Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες μπορούσαν να υποθέσουν μόνο την παρουσία μοριακών δομών. Σήμερα, με τη βοήθεια της μικροσκοπίας ατομικής δύναμης, οι μεμονωμένοι ατομικοί δεσμοί (καθένας μήκους μερικών δεκάδων εκατομμυριοστών του χιλιοστού) που συνδέουν ένα μόριο (26 άτομα άνθρακα και 14 άτομα υδρογόνου) μπορούν να φανούν αρκετά καθαρά.

Αρχικά, η ομάδα ήθελε να εργαστεί με δομές κατασκευασμένες από γραφένιο, ένα υλικό μονής στρώσης στο οποίο τα άτομα άνθρακα είναι διατεταγμένα σε εξαγωνικά μοτίβα. Σχηματίζοντας κηρήθρες άνθρακα, τα άτομα αναδιατάσσονται από μια γραμμική αλυσίδα σε εξάγωνα. αυτή η αντίδραση μπορεί να παράγει πολλά διαφορετικά μόρια.

Ο Φέλιξ Φίσερ, ένας χημικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, και οι συνάδελφοί του θέλησαν να οπτικοποιήσουν τα μόρια για να βεβαιωθούν ότι τα κατάφεραν σωστά.

Ένα δακτυλιωμένο μόριο που περιέχει άνθρακα, που εμφανίζεται πριν και μετά την αναδιοργάνωση με τα δύο πιο κοινά προϊόντα αντίδρασης σε θερμοκρασίες άνω των 90 βαθμών Κελσίου. Μέγεθος: 3 angstroms ή τρία έως δέκα δισεκατομμυριοστά του μέτρου.

Για να τεκμηριώσει τη συνταγή του γραφενίου, ο Fisher χρειαζόταν μια ισχυρή συσκευή απεικόνισης και στράφηκε σε ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης που είχε ο Michael Crommie από το εργαστήριο του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια.

Το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης χωρίς επαφή (NC-AFM) χρησιμοποιεί έναν πολύ λεπτό και ευαίσθητο αισθητήρα για να ανιχνεύσει την ηλεκτρική δύναμη που παράγεται από τα μόρια. Η άκρη κινείται κοντά στην επιφάνεια του μορίου, εκτρέπεται από διαφορετικά φορτία, δημιουργώντας μια εικόνα για το πώς κινούνται τα άτομα.

Το άκρο ενός ατόμου ενός μικροσκοπίου ατομικής δύναμης χωρίς επαφή «ανιχνεύει» την επιφάνεια με μια αιχμηρή βελόνα. Η βελόνα κινείται κατά μήκος της επιφάνειας του υπό μελέτη αντικειμένου, όπως ακριβώς η βελόνα του φωνογράφου περνά μέσα από τις αυλακώσεις ενός δίσκου. Εκτός από τα άτομα, είναι δυνατός ο «ανιχνευτής» ατομικών δεσμών

Έτσι, η ομάδα κατάφερε όχι μόνο να οπτικοποιήσει τα άτομα άνθρακα, αλλά και τους δεσμούς μεταξύ τους που δημιουργήθηκαν από κοινά ηλεκτρόνια. Τοποθέτησαν δομές δακτυλίου άνθρακα σε μια ασημένια πλάκα και τη θερμάνουν για να αναδιοργανώσουν το μόριο. Τα ψυγμένα προϊόντα αντίδρασης περιείχαν τρία απροσδόκητα προϊόντα και μόνο ένα μόριο που περίμεναν οι επιστήμονες.

Για πρώτη φορά στον κόσμο, οι επιστήμονες κατάφεραν να αποκτήσουν μια οπτική εικόνα ενός μορίου στην ανάλυση μεμονωμένων ατόμων στη διαδικασία αναδιάταξης των μοριακών του δεσμών. Η εικόνα που προέκυψε αποδείχθηκε εκπληκτικά παρόμοια με εικόνες από σχολικά βιβλία χημείας.

Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες μπορούσαν να βγάλουν μόνο υποθετικά συμπεράσματα σχετικά με τις μοριακές δομές. Αλλά με τη βοήθεια της νέας τεχνολογίας, οι μεμονωμένοι ατομικοί δεσμοί - ο καθένας μήκους μερικών δέκα εκατομμυρίων του χιλιοστού - που συνδέουν τα 26 άτομα άνθρακα και τα 14 άτομα υδρογόνου σε αυτό το μόριο γίνονται καθαρά ορατοί. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δημοσιεύτηκαν στις 30 Μαΐου στο περιοδικό Science.

Η ομάδα των πειραματιστών αρχικά είχε ως στόχο να συναρμολογήσει με ακρίβεια νανοδομές από γραφένιο, ένα ατομικό υλικό μονής στρώσης στο οποίο τα άτομα άνθρακα είναι διατεταγμένα σε επαναλαμβανόμενο εξαγωνικό σχέδιο. Η δημιουργία μιας κηρήθρας άνθρακα απαιτεί αναδιάταξη των ατόμων από μια γραμμική αλυσίδα σε ένα εξαγωνικό δίκτυο. μια τέτοια αντίδραση μπορεί να δημιουργήσει πολλά διαφορετικά μόρια. Ο χημικός του Μπέρκλεϊ, Felix Fischer και οι συνεργάτες του ήθελαν να οπτικοποιήσουν τα μόρια για να βεβαιωθούν ότι τα έκαναν όλα σωστά.

Το μόριο που περιέχει άνθρακα στη φωτογραφία φαίνεται πριν και μετά την αναδιάταξή του, με τη συμπερίληψη δύο από τα πιο κοινά προϊόντα αντίδρασης. Κλίμακα εικόνας - 3 angstroms, ή 3 δέκα δισεκατομμυριοστά του μέτρου

Για να τεκμηριώσει τη συνταγή του γραφενίου, ο Fisher χρειαζόταν ένα πολύ ισχυρό οπτικό όργανο και χρησιμοποίησε ένα ατομικό μικροσκόπιο που βρίσκεται σε ένα εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϋ. Τα ατομικά μικροσκόπια χωρίς επαφή χρησιμοποιούν μια εξαιρετικά ευαίσθητη γραφίδα για την ανάγνωση των ηλεκτρικών δυνάμεων που παράγονται από τα μόρια. Καθώς η άκρη της βελόνας κινείται κατά μήκος της επιφάνειας του μορίου, εκτρέπεται από διάφορα φορτία, δημιουργώντας μια εικόνα για το πώς είναι διατεταγμένα τα άτομα και οι δεσμοί μεταξύ τους.

Με τη βοήθειά του, η ομάδα των ερευνητών μπόρεσε όχι μόνο να οπτικοποιήσει τα άτομα άνθρακα, αλλά και τους δεσμούς που δημιουργήθηκαν από τα ηλεκτρόνια μεταξύ τους. Τοποθέτησαν ένα μόριο σε σχήμα δακτυλίου σε μια ασημένια επιφάνεια και το θερμάνουν για να αλλάξει το σχήμα του. Η επακόλουθη ψύξη κατάφερε να σταθεροποιήσει τα προϊόντα της αντίδρασης, μεταξύ των οποίων ήταν τρία απροσδόκητα συστατικά και ένα μόριο που περίμεναν οι επιστήμονες.