ภาพถ่ายโมเลกุลถูกถ่ายครั้งแรกเมื่อใด อะตอมและโมเลกุล "การทำเครื่องหมายบนโมเลกุลออกซิเจน" โดย Yasmine Crawford

เราขอเชิญคุณให้ประเมินภาพของผู้เข้ารอบสุดท้ายที่อ้างชื่อ "ช่างภาพแห่งปี" โดย Royal Photographic Society ผู้ชนะจะประกาศในวันที่ 7 ตุลาคมและนิทรรศการ ผลงานที่ดีที่สุดจะจัดขึ้นตั้งแต่วันที่ 7 ตุลาคมถึง 5 มกราคมที่พิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ในลอนดอน

ฉบับ น

โครงสร้างฟองสบู่โดย Kim Cox

ฟองสบู่ปรับพื้นที่ภายในตัวเองให้เหมาะสมและลดพื้นที่ผิวให้เหลือน้อยที่สุดสำหรับปริมาตรอากาศที่กำหนด สิ่งนี้ทำให้พวกเขาเป็นวัตถุที่มีประโยชน์ในการศึกษาในหลาย ๆ ด้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสาขาวัสดุศาสตร์ ผนังของฟองอากาศดูเหมือนจะไหลลงมาภายใต้แรงโน้มถ่วง: พวกมันบางที่ด้านบนและหนาที่ด้านล่าง

"การทำเครื่องหมายบนโมเลกุลออกซิเจน" โดย Yasmine Crawford

ภาพดังกล่าวเป็นส่วนหนึ่งของโครงการสำคัญชิ้นสุดท้ายของผู้เขียน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาระดับปริญญาโทด้านการถ่ายภาพที่มหาวิทยาลัย Falmouth ซึ่งมุ่งเน้นการศึกษาเกี่ยวกับโรคไข้สมองอักเสบจากกล้ามเนื้ออ่อนแรง Crawford กล่าวว่าเขาสร้างภาพที่เชื่อมโยงเรากับสิ่งที่คลุมเครือและไม่รู้จัก

"ความสงบสุขชั่วนิรันดร์" ผู้แต่ง Evgeny Samuchenko

ภาพนี้ถ่ายบนเทือกเขาหิมาลัยบนทะเลสาบ Gosaikunda ที่ระดับความสูง 4,400 เมตร ทางช้างเผือกเป็นกาแล็กซีที่มีเราอยู่ด้วย ระบบสุริยะ: แสงระยิบระยับบนท้องฟ้ายามค่ำคืน

"ด้วงแป้งสับสน" โดย David Spears

ด้วงศัตรูพืชขนาดเล็กนี้รบกวนธัญพืชและผลิตภัณฑ์จากแป้ง ภาพนี้ถ่ายด้วย Scanning Electron Micrograph แล้วลงสีใน Photoshop

เนบิวลาอเมริกาเหนือ โดย Dave Watson

เนบิวลาอเมริกาเหนือ NGC7000 เป็นเนบิวลาเปล่งแสงในกลุ่มดาวหงส์ รูปร่างของเนบิวลาคล้ายกับรูปร่างของทวีปอเมริกาเหนือ - คุณสามารถมองเห็นอ่าวเม็กซิโกได้

Stag Beetle โดย Victor Sikora

ช่างภาพใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่มีกำลังขยายห้าเท่า

กล้องโทรทรรศน์ Lovell โดย Marge Bradshaw

“ฉันรู้สึกทึ่งกับกล้องโทรทรรศน์ Lovell ที่ Jodrell Bank ตั้งแต่ฉันเห็นกล้องนี้ในการไปทัศนศึกษาที่โรงเรียน” แบรดชอว์กล่าว เธอต้องการถ่ายภาพที่มีรายละเอียดมากขึ้นเพื่อแสดงเสื้อผ้าของเขา

"แมงกะพรุนกลับหัว" โดย Mary Ann Chilton

แทนที่จะว่ายน้ำ สปีชีส์นี้ใช้เวลาเป็นจังหวะในน้ำ สีของแมงกะพรุนเป็นผลมาจากการกินสาหร่าย

งานนำเสนออื่น ๆ เกี่ยวกับ ฟิสิกส์โมเลกุล

"พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์" - ธาตุที่มีเลขมวลตั้งแต่ 50 ถึง 60 จะมีพลังงานยึดเหนี่ยวสูงสุด (8.6 MeV/นิวคลีออน) - ข้อบกพร่องด้านมวล แรงคูลอมบ์มีแนวโน้มที่จะทำลายนิวเคลียส พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนบนพื้นผิวน้อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนภายในนิวเคลียส Uchim.net. พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสของอะตอม พลังงานผูกพันเฉพาะ สมการของไอน์สไตน์ระหว่างมวลและพลังงาน:

"โครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม" - Geiger counter Cloud Chamber เรเดียม (เปล่งปลั่ง). การใช้รังสีกัมมันตภาพรังสี Marie Sklodowska-Curie และ Pierre Curie เบคเคอเรล อองตวน อองรี - 2440 เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันเป็นปฏิกิริยาฟิวชันของนิวเคลียสเบา เลขมวล M - มวลของนิวเคลียส, จำนวนนิวคลีออน, จำนวนนิวตรอน M-Z พอโลเนียม. ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์.

"การประยุกต์ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก" - รัฐ สถาบันการศึกษา NPO Professional Lyceum №15. ประวัติการค้นพบและการศึกษาโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ เสร็จสิ้นโดย: ครูสอนฟิสิกส์ Varlamova Marina Viktorovna สมการของไอน์สไตน์สำหรับผลโฟโตอิเล็กทริก A. Einstein การสังเกตผลโฟโตอิเล็กทริก สโตเลตอฟ เอ.จี. ความแรงของกระแสอิ่มตัวเป็นสัดส่วนกับความเข้มของรังสีที่ตกกระทบบนแคโทด

"โครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม" - อ. 10 -12. การเปลี่ยนแปลงกัมมันตภาพรังสีของนิวเคลียสของอะตอม ดังนั้น รังสีจึงประกอบด้วยกระแสของอนุภาคบวก อนุภาคลบและอนุภาคที่เป็นกลาง 13 - 15. 1896 Henri Becquerel (ชาวฝรั่งเศส) ได้ค้นพบปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี แสดง - , มีมวล? 01.00 น. และมีประจุเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน 5. อะตอมเป็นกลางเพราะ ประจุของนิวเคลียสเท่ากับประจุทั้งหมดของอิเล็กตรอน

"องค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม" - เลขมวล. แรงนิวเคลียร์ - แรงดึงดูดที่ดึงดูดโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส กองกำลังนิวเคลียร์ มุมมองทั่วไปของการกำหนดหลัก หมายเลขค่าธรรมเนียม จำนวนประจุจะเท่ากับประจุของนิวเคลียส ซึ่งแสดงเป็นประจุไฟฟ้ามูลฐาน จำนวนค่าธรรมเนียมเท่ากับหมายเลขลำดับ องค์ประกอบทางเคมี. ยิ่งใหญ่กว่ากองกำลังคูลอมบ์หลายเท่า

"การสังเคราะห์พลาสมา" - ระยะเวลาก่อสร้าง 8-10 ปี ขอขอบคุณสำหรับความสนใจของคุณ. การก่อสร้างและโครงสร้างพื้นฐานของ ITER การสร้าง TOKAMAK พารามิเตอร์การออกแบบ ITER การสร้างอิเทอร์ (ITER) 5. ค่าใช้จ่ายโดยประมาณ 5 พันล้านยูโร อาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ ผลงานของรัสเซียต่อเครื่องปฏิกรณ์ ITER 2. ประโยชน์ของพลังงานความร้อน ความต้องการพลังงาน

อะตอมไฮโดรเจนจับเมฆอิเล็กตรอน และแม้ว่านักฟิสิกส์สมัยใหม่จะสามารถระบุรูปร่างของโปรตอนได้ด้วยความช่วยเหลือของเครื่องเร่งอนุภาค แต่ดูเหมือนว่าอะตอมของไฮโดรเจนจะยังคงเป็นวัตถุที่เล็กที่สุด ซึ่งภาพดังกล่าวเหมาะสมที่จะเรียกว่าภาพถ่าย Lenta.ru นำเสนอภาพรวม วิธีการที่ทันสมัยการถ่ายภาพพิภพเล็ก

พูดกันตามตรง ทุกวันนี้แทบจะไม่มีการถ่ายภาพธรรมดาๆ หลงเหลืออยู่เลย รูปภาพที่เราเรียกกันติดปากว่ารูปถ่ายและสามารถพบได้ เช่น ในเรียงความภาพถ่าย Lenta.ru ใดๆ นั้นแท้จริงแล้วเป็นแบบจำลองคอมพิวเตอร์ เมทริกซ์ไวแสงในอุปกรณ์พิเศษ (แต่เดิมยังคงเรียกว่า "กล้อง") กำหนดการกระจายเชิงพื้นที่ของความเข้มแสงในช่วงสเปกตรัมต่างๆ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมจะเก็บข้อมูลนี้ในรูปแบบดิจิทัล วงจรอิเล็กทรอนิกส์จากข้อมูลนี้จะสั่งงานทรานซิสเตอร์ในจอแสดงผลคริสตัลเหลว ฟิล์ม, กระดาษ, โซลูชั่นพิเศษสำหรับการประมวลผล - ทั้งหมดนี้กลายเป็นสิ่งแปลกใหม่ และถ้าเราจำความหมายตามตัวอักษรของคำนี้ได้ การถ่ายภาพก็คือ "การวาดภาพด้วยแสง" ดังนั้นจะบอกว่านักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จได้อย่างไร เพื่อถ่ายภาพอะตอมเป็นไปได้ด้วยจำนวนที่พอใช้เท่านั้น

มากกว่าครึ่งหนึ่งของภาพถ่ายทางดาราศาสตร์ทั้งหมดถูกถ่ายด้วยอินฟราเรด อัลตราไวโอเลต และ กล้องโทรทรรศน์เอ็กซเรย์. กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไม่ได้ฉายรังสีด้วยแสง แต่ฉายด้วยลำแสงอิเล็กตรอน ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณูจะสแกนตัวอย่างด้วยความโล่งใจด้วยเข็ม มีกล้องจุลทรรศน์เอ็กซเรย์และเครื่องสแกนภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก อุปกรณ์ทั้งหมดเหล่านี้ให้ภาพที่ถูกต้องของวัตถุต่าง ๆ และแม้ว่าจะไม่จำเป็นต้องพูดถึง "การวาดภาพด้วยแสง" ที่นี่ แต่เรายังคงอนุญาตให้ตัวเองเรียกภาพดังกล่าวว่ารูปถ่าย

การทดลองโดยนักฟิสิกส์เพื่อหารูปร่างของโปรตอนหรือการกระจายตัวของควาร์กภายในอนุภาคจะยังคงอยู่เบื้องหลัง เรื่องราวของเราจะจำกัดอยู่ที่ขนาดของอะตอม

ออปติกไม่เคยแก่

ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงยังคงมีพื้นที่ให้พัฒนา ช่วงเวลาสำคัญในการวิจัยทางชีววิทยาและทางการแพทย์คือการเกิดขึ้นของสีย้อมเรืองแสงและวิธีการที่อนุญาตให้มีการติดฉลากแบบเลือกได้ของสารบางชนิด ไม่ใช่ "แค่ทาสีใหม่" แต่เป็นการปฏิวัติที่แท้จริง

ตรงกันข้ามกับความเข้าใจผิดทั่วไป การเรืองแสงไม่ได้เรืองแสงในที่มืดเลย (อย่างหลังเรียกว่าการเรืองแสง) นี่คือปรากฏการณ์ของการดูดกลืนควอนตัมของพลังงานบางอย่าง (เช่น แสงสีน้ำเงิน) ตามมาด้วยการปล่อยควอนตั้มอื่นที่มีพลังงานต่ำกว่า และตามด้วยแสงที่แตกต่างกัน (เมื่อสีน้ำเงินถูกดูดกลืน สีเขียวจะถูกปล่อยออกมา) หากคุณใส่ฟิลเตอร์ที่อนุญาตให้เฉพาะควอนตั้มที่ปล่อยออกมาจากสีย้อมผ่านเข้าไปได้และปิดกั้นแสงที่ทำให้เกิดฟลูออเรสเซนซ์ คุณจะเห็นพื้นหลังสีเข้มที่มีจุดสีสว่าง และสีย้อมก็จะสามารถให้สีกับตัวอย่างได้อย่างเฉพาะเจาะจง

ตัวอย่างเช่น คุณสามารถระบายสีโครงร่างเซลล์ของเซลล์ประสาทเป็นสีแดง เน้นไซแนปส์เป็นสีเขียว และเน้นนิวเคลียสด้วยสีน้ำเงิน คุณสามารถสร้างฉลากเรืองแสงที่จะช่วยให้คุณตรวจจับตัวรับโปรตีนบนเยื่อหุ้มเซลล์หรือโมเลกุลที่เซลล์สังเคราะห์ขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการ วิธีการย้อมสีอิมมูโนฮิสโตเคมีได้ปฏิวัติวิทยาศาสตร์ชีวภาพ และเมื่อนักพันธุวิศวกรรมได้เรียนรู้วิธีสร้างสัตว์ดัดแปรพันธุกรรมด้วยโปรตีนเรืองแสง วิธีการนี้ทำให้ได้เกิดใหม่ ตัวอย่างเช่น หนูที่ถูกทาสี สีที่ต่างกันเซลล์ประสาท

นอกจากนี้ วิศวกรยังคิดค้น (และฝึกฝน) วิธีการที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอล สาระสำคัญอยู่ที่ความจริงที่ว่ากล้องจุลทรรศน์โฟกัสไปที่ชั้นบาง ๆ และไดอะแฟรมพิเศษจะตัดแสงที่เกิดจากวัตถุที่อยู่นอกชั้นนี้ กล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวสามารถสแกนตัวอย่างตามลำดับจากบนลงล่างและรับภาพซ้อนซึ่งเป็นพื้นฐานสำเร็จรูปสำหรับแบบจำลองสามมิติ

การใช้เลเซอร์และระบบควบคุมลำแสงออพติคัลที่ซับซ้อนทำให้สามารถแก้ปัญหาการซีดจางของสีย้อมและการแห้งของตัวอย่างทางชีวภาพที่ละเอียดอ่อนภายใต้แสงจ้าได้: ลำแสงเลเซอร์จะสแกนตัวอย่างเฉพาะเมื่อจำเป็นสำหรับการถ่ายภาพเท่านั้น และเพื่อไม่ให้เสียเวลาและความพยายามในการตรวจสอบการเตรียมการขนาดใหญ่ผ่านเลนส์ใกล้ตาที่มีขอบเขตการมองเห็นที่แคบ วิศวกรจึงเสนอ ระบบอัตโนมัติการสแกน: สามารถวางแก้วที่มีตัวอย่างไว้บนเวทีวัตถุของกล้องจุลทรรศน์ที่ทันสมัยและอุปกรณ์จะถ่ายภาพพาโนรามาขนาดใหญ่ของตัวอย่างทั้งหมดโดยอิสระ ในเวลาเดียวกันในสถานที่ที่เหมาะสมเขาจะโฟกัสแล้วกาวหลาย ๆ เฟรมเข้าด้วยกัน

กล้องจุลทรรศน์บางชนิดสามารถรองรับหนูที่มีชีวิต หนูแรท หรือสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังขนาดเล็กได้ อื่น ๆ ให้เพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่รวมกับเครื่องเอ็กซ์เรย์ เพื่อกำจัดการรบกวนจากแรงสั่นสะเทือน หลายตัวถูกติดตั้งไว้บนโต๊ะพิเศษที่มีน้ำหนักหลายตันภายในอาคารโดยมีปากน้ำควบคุมอย่างระมัดระวัง ค่าใช้จ่ายของระบบดังกล่าวสูงกว่าต้นทุนของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบอื่น ๆ และการแข่งขันเพื่อเฟรมที่สวยที่สุดได้กลายเป็นประเพณีที่มีมาช้านาน นอกจากนี้ การปรับปรุงของเลนส์ยังคงดำเนินต่อไป: จากการค้นหา พันธุ์ที่ดีที่สุดกระจกและการเลือกชุดเลนส์ที่เหมาะสมที่สุด วิศวกรได้มุ่งไปสู่วิธีการโฟกัสแสง

เราได้ระบุรายละเอียดทางเทคนิคจำนวนหนึ่งโดยเฉพาะเพื่อแสดงให้เห็นว่าความก้าวหน้าในการวิจัยทางชีววิทยามีความสัมพันธ์กับความก้าวหน้าในด้านอื่นๆ มาช้านาน หากไม่มีคอมพิวเตอร์ที่สามารถนับจำนวนเซลล์ที่เปื้อนได้โดยอัตโนมัติในภาพถ่ายหลายร้อยภาพ กล้องซูเปอร์ไมโครสโคปคงมีประโยชน์เพียงเล็กน้อย และหากไม่มีสีย้อมเรืองแสง เซลล์นับล้านทั้งหมดจะแยกไม่ออกจากกัน ดังนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะติดตามการก่อตัวของเซลล์ใหม่หรือการตายของเซลล์เก่า

อันที่จริง กล้องจุลทรรศน์ตัวแรกคือแคลมป์ที่มีเลนส์ทรงกลมติดอยู่ อะนาล็อกของกล้องจุลทรรศน์นั้นสามารถทำได้ง่าย เล่นไพ่มีรูและหยดน้ำ ตามรายงานบางฉบับอุปกรณ์ดังกล่าวถูกใช้โดยนักขุดทองใน Kolyma ในศตวรรษที่ผ่านมา

เกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบน

กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมีข้อเสียเปรียบขั้นพื้นฐาน ความจริงก็คือเป็นไปไม่ได้ที่จะคืนรูปร่างของวัตถุเหล่านั้นซึ่งกลายเป็นว่ามีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นจากรูปร่างของคลื่นแสงมาก คุณสามารถลองตรวจสอบพื้นผิวที่ละเอียดของวัสดุด้วยมือของคุณในถุงมือเชื่อมแบบหนาได้เช่นกัน

ข้อจำกัดที่เกิดจากการเลี้ยวเบนได้เอาชนะไปแล้วบางส่วน และไม่ละเมิดกฎของฟิสิกส์ สถานการณ์สองประการช่วยให้กล้องจุลทรรศน์ใช้แสงดำดิ่งลงไปใต้สิ่งกีดขวางการเลี้ยวเบน: ความจริงที่ว่าระหว่างการเรืองแสงควอนตัมถูกปล่อยออกมาโดยโมเลกุลของสีย้อมแต่ละตัว (ซึ่งอาจอยู่ห่างกันพอสมควร) และข้อเท็จจริงที่ว่าโดยการซ้อนทับของคลื่นแสง เป็นไปได้ที่จะได้จุดสว่างที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าความยาวคลื่น

เมื่อซ้อนทับกัน คลื่นแสงสามารถหักล้างกันได้ ดังนั้น พารามิเตอร์การส่องสว่างของตัวอย่างจึงเป็นพื้นที่ที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตกอยู่ในบริเวณที่สว่าง เมื่อใช้ร่วมกับอัลกอริทึมทางคณิตศาสตร์ที่สามารถลบภาพซ้อนได้ การจัดแสงตามทิศทางดังกล่าวจะช่วยปรับปรุงคุณภาพของภาพอย่างมาก เป็นไปได้ ตัวอย่างเช่น การตรวจสอบโครงสร้างภายในเซลล์ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง และแม้กระทั่ง (รวมวิธีการที่อธิบายไว้เข้ากับกล้องจุลทรรศน์แบบคอนโฟคอล) เพื่อให้ได้ภาพสามมิติ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนก่อนเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์

เพื่อที่จะค้นพบอะตอมและโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์ไม่จำเป็นต้องดูพวกมัน ทฤษฎีโมเลกุลไม่จำเป็นต้องเห็นวัตถุ แต่จุลชีววิทยาเป็นไปได้หลังจากการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์เท่านั้น ดังนั้น ในตอนแรก กล้องจุลทรรศน์จึงมีความเกี่ยวข้องอย่างแม่นยำกับยาและชีววิทยา: นักฟิสิกส์และนักเคมีที่ศึกษาวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่ามากที่จัดการโดยวิธีอื่น เมื่อพวกเขาต้องการดูพิภพขนาดเล็กด้วย ข้อจำกัดของการเลี้ยวเบนกลายเป็นปัญหาร้ายแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากยังไม่ทราบวิธีการของกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ที่อธิบายไว้ข้างต้น และไม่มีเหตุผลที่จะเพิ่มความละเอียดจาก 500 เป็น 100 นาโนเมตร หากวัตถุที่จะพิจารณายิ่งน้อยลงไปอีก!

เมื่อทราบว่าอิเล็กตรอนสามารถประพฤติตนเป็นทั้งคลื่นและอนุภาคได้ นักฟิสิกส์จากเยอรมนีจึงสร้างเลนส์อิเล็กตรอนขึ้นในปี พ.ศ. 2469 แนวคิดพื้นฐานนั้นง่ายมากและเข้าใจได้สำหรับเด็กนักเรียนทุกคน: เนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเบี่ยงเบนอิเล็กตรอน จึงสามารถใช้เปลี่ยนรูปร่างของลำแสงของอนุภาคเหล่านี้ได้โดยการดึงพวกมันไปในทิศทางต่างๆ หรือในทางกลับกัน เพื่อลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสง 5 ปีต่อมา ในปี 1931 Ernst Ruska และ Max Knoll ได้สร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนตัวแรกของโลก ในอุปกรณ์นี้ ตัวอย่างแรกจะถูกฉายแสงด้วยลำแสงอิเล็กตรอน จากนั้นเลนส์อิเล็กตรอนจะขยายลำแสงที่ผ่านเข้ามาก่อนที่มันจะตกลงบนจอเรืองแสงแบบพิเศษ กล้องจุลทรรศน์ตัวแรกให้กำลังขยายเพียง 400 เท่า แต่การแทนที่แสงด้วยอิเล็กตรอนได้เปิดทางสู่การถ่ายภาพด้วยกำลังขยายหลายแสนเท่า นักออกแบบต้องเอาชนะอุปสรรคทางเทคนิคเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทำให้สามารถตรวจสอบโครงสร้างของเซลล์ในคุณภาพที่ก่อนหน้านี้ไม่สามารถบรรลุได้ แต่จากภาพนี้เป็นไปไม่ได้ที่จะเข้าใจอายุของเซลล์และการมีอยู่ของโปรตีนบางชนิดในเซลล์ และข้อมูลนี้จำเป็นมากสำหรับนักวิทยาศาสตร์

ตอนนี้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนช่วยให้คุณถ่ายภาพไวรัสได้ ใกล้ชิด. มีการดัดแปลงอุปกรณ์ต่างๆ มากมายที่ไม่เพียงแต่ส่องผ่านส่วนที่บางเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาอุปกรณ์เหล่านั้นใน "แสงสะท้อน" (แน่นอนว่าในอิเล็กตรอนที่สะท้อนกลับด้วย) เราจะไม่พูดถึงรายละเอียดเกี่ยวกับตัวเลือกทั้งหมดสำหรับกล้องจุลทรรศน์ แต่เราทราบว่าเมื่อเร็ว ๆ นี้นักวิจัยได้เรียนรู้วิธีคืนค่าภาพจากรูปแบบการเลี้ยวเบน

สัมผัส ไม่เห็น

การปฏิวัติอีกครั้งเกิดขึ้นด้วยค่าใช้จ่ายของการออกจากหลักการของ "ส่องสว่างและมองเห็น" กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณูและกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดจะไม่ส่องแสงบนพื้นผิวของตัวอย่างอีกต่อไป ในทางกลับกัน เข็มที่บางเป็นพิเศษจะเคลื่อนผ่านพื้นผิว ซึ่งกระดอนได้แม้ในแรงกระแทกที่มีขนาดเท่ากับอะตอมเดี่ยว

โดยไม่ต้องลงรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการดังกล่าวทั้งหมด เราทราบสิ่งสำคัญ: เข็มของกล้องจุลทรรศน์การขุดอุโมงค์ไม่เพียงสามารถเคลื่อนไปตามพื้นผิวเท่านั้น แต่ยังใช้เพื่อจัดเรียงอะตอมใหม่จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งด้วย นี่คือวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สร้างจารึก ภาพวาด และแม้แต่การ์ตูนที่เด็กชายที่วาดเล่นกับอะตอม อะตอมซีนอนจริงถูกลากโดยปลายของกล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกน

มันถูกเรียกว่ากล้องจุลทรรศน์การขุดอุโมงค์เพราะมันใช้ผลกระทบของกระแสการขุดอุโมงค์ที่ไหลผ่านเข็ม: อิเล็กตรอนผ่านช่องว่างระหว่างเข็มและพื้นผิวเนื่องจากผลของการขุดอุโมงค์ที่ทำนายโดยกลศาสตร์ควอนตัม อุปกรณ์นี้ต้องใช้สุญญากาศในการทำงาน

กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู (AFM) มีความต้องการสภาพแวดล้อมน้อยกว่ามาก - สามารถทำงานได้ (โดยมีข้อจำกัดหลายประการ) โดยไม่ต้องสูบลม ในแง่หนึ่ง AFM เป็นผู้สืบทอดเทคโนโลยีนาโนของแผ่นเสียง เข็มที่ติดตั้งอยู่บนตัวยึดคานแบบบางและยืดหยุ่นได้ ( เท้าแขนและมี "ตัวยึด") เคลื่อนไปตามพื้นผิวโดยไม่ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าและติดตามการผ่อนปรนของตัวอย่างในลักษณะเดียวกับที่เข็มแผ่นเสียงเคลื่อนไปตามร่องของแผ่นเสียง การโค้งงอของคานเอียงทำให้กระจกที่ยึดอยู่เบี่ยงเบนไป กระจกจะเบี่ยงเบนลำแสงเลเซอร์ และทำให้สามารถกำหนดรูปร่างของตัวอย่างภายใต้การศึกษาได้อย่างแม่นยำมาก สิ่งสำคัญคือต้องมีระบบที่แม่นยำพอสมควรในการเคลื่อนเข็ม รวมถึงการจัดหาเข็มที่ต้องมีความคมอย่างสมบูรณ์แบบ รัศมีความโค้งที่ปลายเข็มดังกล่าวต้องไม่เกินหนึ่งนาโนเมตร

AFM ช่วยให้คุณเห็นอะตอมและโมเลกุลแต่ละตัวได้ แต่เช่นเดียวกับกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ ไม่อนุญาตให้คุณดูใต้พื้นผิวของตัวอย่าง กล่าวอีกนัยหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์ต้องเลือกระหว่างการมองเห็นอะตอมและความสามารถในการศึกษาวัตถุทั้งหมด อย่างไรก็ตาม แม้สำหรับกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง อวัยวะภายในของตัวอย่างที่ทำการศึกษาก็ไม่สามารถเข้าถึงได้เสมอไป เนื่องจากแร่ธาตุหรือโลหะมักจะส่งผ่านแสงได้ไม่ดี นอกจากนี้ยังมีความยากลำบากในการถ่ายภาพอะตอม - วัตถุเหล่านี้ปรากฏเป็นลูกบอลธรรมดา ๆ รูปร่างของเมฆอิเล็กตรอนไม่สามารถมองเห็นได้ในภาพดังกล่าว

รังสีซินโครตรอนซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการชะลอตัวของอนุภาคมีประจุที่กระจายตัวโดยเครื่องเร่งความเร็ว ทำให้สามารถศึกษาซากสัตว์ยุคก่อนประวัติศาสตร์ที่กลายเป็นหินได้ ด้วยการหมุนตัวอย่างภายใต้รังสีเอกซ์ เราจะได้ภาพโทโมแกรมสามมิติ ตัวอย่างเช่น สมองถูกพบในกระโหลกของปลาที่สูญพันธุ์ไปเมื่อ 300 ล้านปีก่อน คุณสามารถทำได้โดยไม่ต้องหมุนหากการลงทะเบียนของรังสีที่ส่งมาจากการแก้ไขรังสีเอกซ์ที่กระจัดกระจายเนื่องจากการเลี้ยวเบน

และนี่ไม่ใช่ความเป็นไปได้ทั้งหมดที่รังสีเอกซ์จะเปิดขึ้น เมื่อฉายรังสี วัสดุหลายชนิดจะเรืองแสงได้ และสามารถใช้ธรรมชาติของการเรืองแสงเพื่อระบุได้ องค์ประกอบทางเคมีสาร: ด้วยวิธีนี้ นักวิทยาศาสตร์ระบายสีวัตถุโบราณ ผลงานของอาร์คิมิดีสที่ถูกลบในยุคกลาง หรือระบายสีขนนกที่สูญพันธุ์ไปนานแล้ว

วางตัวอะตอม

เบื้องหลังความเป็นไปได้ทั้งหมดที่ได้รับจากวิธีการเอ็กซ์เรย์หรือวิธีการเรืองแสงด้วยแสง วิธีการใหม่การถ่ายภาพอะตอมแต่ละอะตอมดูเหมือนจะไม่ใช่ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ครั้งใหญ่อีกต่อไป สาระสำคัญของวิธีการที่ทำให้ได้ภาพที่นำเสนอในสัปดาห์นี้มีดังนี้: อิเล็กตรอนถูกดึงออกมาจากอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนและส่งไปยังเครื่องตรวจจับพิเศษ การกระทำของไอออไนเซชันแต่ละครั้งจะดึงอิเล็กตรอนออกจากตำแหน่งหนึ่งและให้จุดหนึ่งบน "ภาพถ่าย" เมื่อสะสมจุดดังกล่าวได้หลายพันจุด นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างภาพที่แสดงตำแหน่งที่เป็นไปได้มากที่สุดสำหรับการค้นหาอิเล็กตรอนรอบๆ นิวเคลียสของอะตอม และนี่คือเมฆอิเล็กตรอนตามคำนิยาม

โดยสรุป สมมติว่าความสามารถในการมองเห็นแต่ละอะตอมด้วยเมฆอิเล็กตรอนนั้นเหมือนกับเชอร์รี่บนเค้กของกล้องจุลทรรศน์สมัยใหม่ สิ่งสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์คือต้องศึกษาโครงสร้างของวัสดุ ศึกษาเซลล์และผลึก และการพัฒนาเทคโนโลยีอันเป็นผลจากสิ่งนี้ทำให้สามารถเข้าถึงอะตอมของไฮโดรเจนได้ อะไรก็ตามที่น้อยกว่านั้นเป็นที่สนใจของนักฟิสิกส์อยู่แล้ว อนุภาคมูลฐาน. และนักชีววิทยา นักวัสดุศาสตร์ และนักธรณีวิทยายังมีช่องทางในการปรับปรุงกล้องจุลทรรศน์แม้ว่าจะมีกำลังขยายค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับอะตอม ตัวอย่างเช่น ผู้เชี่ยวชาญด้านสรีรวิทยาต้องการอุปกรณ์ที่สามารถมองเห็นเซลล์แต่ละเซลล์ภายในสมองที่มีชีวิตมานานแล้ว และผู้สร้างโรเวอร์ก็ยอมขายวิญญาณของตนเพื่อซื้อกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่จะติดตั้งบนยานอวกาศและสามารถทำงานบนดาวอังคารได้

จนถึงขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถสันนิษฐานได้ว่ามีโครงสร้างโมเลกุลเท่านั้น วันนี้ด้วยความช่วยเหลือของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม พันธะอะตอมแต่ละอัน (ยาวไม่กี่สิบส่วนในล้านของมิลลิเมตร) ที่เชื่อมต่อโมเลกุล (อะตอมของคาร์บอน 26 อะตอมและอะตอมของไฮโดรเจน 14 อะตอม) สามารถมองเห็นได้ค่อนข้างชัดเจน

ในขั้นต้น ทีมงานต้องการทำงานกับโครงสร้างที่ทำจากกราฟีน ซึ่งเป็นวัสดุชั้นเดียวที่อะตอมของคาร์บอนถูกจัดเรียงในรูปแบบหกเหลี่ยม ก่อตัวเป็นรวงผึ้งของคาร์บอน อะตอมถูกจัดเรียงใหม่จากสายโซ่เชิงเส้นเป็นรูปหกเหลี่ยม ปฏิกิริยานี้สามารถผลิตโมเลกุลที่แตกต่างกันได้หลายชนิด

Felix Fischer นักเคมีจาก University of California at Berkeley และเพื่อนร่วมงานของเขาต้องการแสดงภาพโมเลกุลเพื่อให้แน่ใจว่าถูกต้อง

โมเลกุลที่ประกอบด้วยคาร์บอนรูปวงแหวน แสดงก่อนและหลังการจัดโครงสร้างใหม่ด้วยผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาที่พบมากที่สุด 2 ชนิดที่อุณหภูมิสูงกว่า 90 องศาเซลเซียส ขนาด: 3 อังสตรอม หรือ 3 ถึง 1 หมื่นล้านส่วนของเมตร

เพื่อบันทึกสูตรกราฟีน Fisher ต้องการอุปกรณ์สร้างภาพอันทรงพลังและหันไปใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมที่ Michael Crommie จากห้องทดลองของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียมี

กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแบบไม่สัมผัส (NC-AFM) ใช้เซ็นเซอร์ที่บางและไวมากเพื่อตรวจจับแรงทางไฟฟ้าที่เกิดจากโมเลกุล ส่วนปลายเคลื่อนเข้าใกล้พื้นผิวของโมเลกุล ถูกหักเหด้วยประจุต่างๆ ทำให้เกิดภาพว่าอะตอมเคลื่อนที่อย่างไร

ปลายอะตอมเดี่ยวของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแบบไม่สัมผัส "ตรวจ" พื้นผิวด้วยเข็มแหลมคม เข็มเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวของวัตถุที่กำลังศึกษา เช่นเดียวกับเข็มเครื่องเล่นแผ่นเสียงผ่านร่องของแผ่นเสียง นอกจากอะตอมแล้วยังสามารถ "ตรวจสอบ" พันธะของอะตอมได้อีกด้วย

ดังนั้น ทีมงานไม่เพียงแต่มองเห็นอะตอมของคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงพันธะระหว่างอะตอมที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันด้วย พวกเขาวางโครงสร้างวงแหวนคาร์บอนบนแผ่นเงินและให้ความร้อนเพื่อจัดระเบียบโมเลกุลใหม่ ผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยาในตู้เย็นมีผลิตภัณฑ์ที่ไม่คาดคิดสามชนิดและมีเพียงโมเลกุลเดียวที่นักวิทยาศาสตร์คาดไว้

นับเป็นครั้งแรกในโลกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถรับภาพที่มองเห็นได้ของโมเลกุลในระดับความละเอียดของอะตอมเดี่ยวในกระบวนการจัดเรียงพันธะโมเลกุลใหม่ ภาพที่ออกมาดูคล้ายกับภาพจากหนังสือเรียนวิชาเคมีอย่างน่าประหลาดใจ

จนถึงขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ทำได้เพียงข้อสรุปเชิงสมมุติฐานเกี่ยวกับโครงสร้างโมเลกุลเท่านั้น แต่ด้วยความช่วยเหลือ เทคโนโลยีใหม่พันธะอะตอมแต่ละพันธะ - แต่ละพันธะยาวไม่กี่สิบล้านมิลลิเมตร - เชื่อมต่ออะตอมของคาร์บอน 26 อะตอมและไฮโดรเจน 14 อะตอมในโมเลกุลนี้จะมองเห็นได้ชัดเจน ผลการศึกษานี้ตีพิมพ์ในวารสาร Science เมื่อวันที่ 30 พฤษภาคม

ทีมนักทดลองมุ่งเป้าไปที่การประกอบโครงสร้างนาโนจากกราฟีนอย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นวัสดุอะตอมชั้นเดียวที่อะตอมของคาร์บอนถูกจัดเรียงในรูปแบบหกเหลี่ยมซ้ำๆ การสร้างรังผึ้งคาร์บอนจำเป็นต้องจัดเรียงอะตอมใหม่จากสายโซ่เชิงเส้นเป็นเครือข่ายหกเหลี่ยม ปฏิกิริยาดังกล่าวสามารถสร้างโมเลกุลที่แตกต่างกันได้ Felix Fischer นักเคมีแห่ง Berkeley และเพื่อนร่วมงานของเขาต้องการจำลองภาพโมเลกุลเพื่อให้แน่ใจว่าพวกมันทำทุกอย่างถูกต้อง

โมเลกุลที่ประกอบด้วยคาร์บอนในภาพแสดงก่อนและหลังการจัดเรียงใหม่ โดยมีผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาที่พบบ่อยที่สุด 2 ชนิดรวมอยู่ด้วย มาตราส่วนภาพ - 3 อังสตรอม หรือ 3 หมื่นล้านเมตร

ในการจัดทำเอกสารสูตรกราฟีน ฟิชเชอร์ต้องการเครื่องมือทางแสงที่ทรงพลังมาก และเขาใช้กล้องจุลทรรศน์อะตอมที่อยู่ในห้องทดลองที่มหาวิทยาลัยเบิร์กลีย์ กล้องจุลทรรศน์อะตอมแบบไม่สัมผัสใช้สไตลัสที่มีความไวสูงมากในการอ่านแรงทางไฟฟ้าที่เกิดจากโมเลกุล เมื่อปลายเข็มเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวของโมเลกุล ประจุต่างๆ จะหักเห ทำให้เห็นภาพของการจัดเรียงตัวของอะตอมและพันธะระหว่างอะตอม

ทีมนักวิจัยไม่เพียงมองเห็นอะตอมของคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังมองเห็นพันธะที่เกิดจากอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมด้วย พวกเขาวางโมเลกุลรูปวงแหวนลงบนพื้นผิวสีเงินและให้ความร้อนเพื่อให้มันเปลี่ยนรูปร่าง การทำให้เย็นลงในภายหลังสามารถแก้ไขผลิตภัณฑ์ที่เกิดปฏิกิริยาได้ ซึ่งมีองค์ประกอบสามอย่างที่คาดไม่ถึงและหนึ่งโมเลกุลที่นักวิทยาศาสตร์คาดไว้