Молекулы под микроскопом фото

Кроме того, инженеры придумали (и отработали на практике) метод так называемой конфокальной микроскопии. Суть его заключается в том, что микроскоп фокусируется на очень тонкий слой, а специальная диафрагма отсекает создаваемую объектами вне этого слоя засветку. Такой микроскоп может последовательно сканировать образец сверху вниз и получать стопку снимков, которая является готовой основой для трехмерной модели.

Использование лазеров и сложных оптических систем управления лучом позволило решить проблему выгорания красителей и высыхания нежных биологических образцов под ярким светом: луч лазера сканирует образец только тогда, когда это необходимо для съемки. А чтобы не тратить время и силы на осмотр большого препарата через окуляр с узким полем зрения, инженеры предложили автоматическую систему сканирования: на предметный столик современного микроскопа можно положить стекло с образцом, и прибор самостоятельно отснимет масштабную панораму всего образца. При этом в нужных местах он будет наводить на резкость, а затем склеит множество кадров воедино.

В некоторые микроскопы можно посадить живых мышей, крыс или хотя бы мелких беспозвоночных животных. Другие дают небольшое увеличение, зато совмещены с рентгеновским аппаратом. Многие для устранения помех от вибраций монтируются на специальных столах массой в несколько тонн внутри помещений с тщательно контролируемым микроклиматом. Стоимость подобных систем превышает стоимость иных электронных микроскопов, а конкурсы на самый красивый кадр давно стали традицией. Кроме того, продолжается и совершенствование оптики: от поиска лучших сортов стекла и подбора оптимальных комбинаций линз инженеры перешли к принципиально новым способам фокусировки света.

Мы специально перечислили ряд технических подробностей для того, чтобы показать: прогресс в области биологических исследований давно связан с прогрессом в других областях. Если бы не существовало компьютеров, способных автоматически сосчитать число окрашенных клеток на нескольких сотнях фотографий, толку от супермикроскопов было бы немного. А без флуоресцентных красителей все миллионы клеток были бы неотличимы друг от друга, так что проследить за формированием новых или гибелью старых было бы практически невозможно.

За дифракционным пределом

У оптических микроскопов есть принципиальный недостаток. Дело в том, что по форме световых волн невозможно восстановить форму тех предметов, которые оказались намного меньше длины волны: с тем же успехом можно пытаться исследовать тонкую текстуру материала рукой в толстой перчатке для сварочных работ.

Ограничения, создаваемые дифракцией, отчасти удалось преодолеть, причем без нарушения законов физики. Поднырнуть под дифракционный барьер оптическим микроскопам помогают два обстоятельства: то, что при флуоресценции кванты излучаются отдельными молекулами красителя (которые могут довольно далеко отстоять друг от друга), и то, что за счет наложения световых волн можно получить яркое пятно с диаметром, меньшим, чем длина волны.

При наложении друг на друга световые волны способны взаимно друг друга погасить, поэтому можно подобрать параметры освещения образца так, чтобы в яркую область попадал по возможности меньший участок. В сочетании с математическими алгоритмами, которые позволяют, например, убрать двоение изображения, такое направленное освещение дает резкое повышение качества съемки. Становится возможным, к примеру, исследовать в оптический микроскоп внутриклеточные структуры и даже (комбинируя описанный метод с конфокальной микроскопией) получать их трехмерные изображения.

Электронный микроскоп до электронных приборов

Для того чтобы открыть атомы и молекулы, ученым не пришлось их рассматривать — молекулярная теория не нуждалась в том, чтобы видеть объект. А вот микробиология стала возможна только после изобретения микроскопа. Поэтому первое время микроскопы ассоциировались именно с медициной и биологией: физики и химики, изучавшие существенно меньшие объекты, обходились другими средствами. Когда же и им захотелось посмотреть на микромир, дифракционные ограничения стали серьезной проблемой, тем более что описанные выше методы флуоресцентной микроскопии были еще неизвестны. Да и толку от повышения разрешающей способности с 500 до 100 нанометров немного, если объект, который надо рассмотреть, еще меньше!

Зная о том, что электроны могут себя вести и как волна, и как частица, физики из Германии в 1926 году создали электронную линзу. Идея, лежащая в ее основе, была очень простой и понятной любому школьнику: раз электромагнитное поле отклоняет электроны, то с его помощью можно поменять форму пучка этих частиц, растащив их в разные стороны, или, напротив, уменьшить диаметр пучка. Спустя пять лет, в 1931 году Эрнст Руска и Макс Кнолл построили первый в мире электронный микроскоп. В приборе образец сначала просвечивался пучком электронов, а потом электронная линза расширяла прошедший насквозь пучок перед тем, как тот падал на специальный люминесцентный экран. Первый микроскоп давал увеличение всего в 400 раз, но замена света на электроны открыла дорогу к фотографированию с увеличением в сотни тысяч раз: конструкторам пришлось всего лишь преодолеть несколько препятствий технического характера.

Сейчас электронные микроскопы позволяют фотографировать вирусы крупным планом. Существуют разные модификации приборов, позволяющие не только просвечивать тонкие срезы, но и рассматривать их в «отраженном свете» (в отраженных электронах, конечно). Мы не будем подробно рассказывать про все варианты микроскопов, но заметим, что недавно исследователи смогли создать электронный микроскоп без линз — они научились восстанавливать изображение по дифракционной картине.

Потрогать, а не рассмотреть

Еще одна революция произошла за счет дальнейшего отхода от принципа «осветить и посмотреть». Атомный силовой микроскоп, равно как и сканирующий туннельный микроскоп, уже ничем на поверхность образцов не светит. Вместо этого по поверхности перемещается особо тонкая игла, которая буквально подпрыгивает даже на неровностях размером с отдельный атом.

Не вдаваясь в детали всех подобных методов, заметим главное: иглу туннельного микроскопа можно не только перемещать вдоль поверхности, но и использовать для перестановки атомов с места на место. Именно таким образом ученые создают надписи, рисунки и даже мультфильмы, в которых нарисованный мальчик играет с атомом. Настоящим атомом ксенона, перетаскиваемым иглой сканирующего туннельного микроскопа.

Туннельным микроскоп называют потому, что он использует эффект протекающего через иглу туннельного тока: электроны проходят через зазор между иглой и поверхностью за счет предсказанного квантовой механикой туннельного эффекта. Для работы такого прибора нужен вакуум.

Намного менее требователен к окружающим условиям атомный силовой микроскоп (АСМ) — он может (с рядом ограничений) работать без откачки воздуха. В определенном смысле АСМ является нанотехнологичным наследником патефона. Игла, закрепленная на тонком и гибком кронштейне-кантилевере (cantilever и есть «кронштейн»), движется вдоль поверхности без подачи на нее напряжения и следует рельефу образца так же, как игла патефона следует вдоль бороздок грампластинки. Изгиб кантилевера заставляет отклоняться закрепленное на нем зеркало, зеркало отклоняет лазерный луч, и это позволяет очень точно определять форму исследуемого образца. Главное только иметь достаточно точную систему перемещения иглы, а также запас игл, которые должны быть идеально острыми. Радиус закругления у кончиков таких игл может не превышать одного нанометра.

АСМ позволяет видеть отдельные атомы и молекулы, однако, как и туннельный микроскоп, не позволяет заглянуть под поверхность образца. Иными словами, ученым приходится выбирать между возможностью видеть атомы и возможностью изучать весь объект целиком. Впрочем, и для оптических микроскопов внутренности изучаемых образцов не всегда доступны, ведь минералы или металлы обычно свет пропускают плохо. Кроме того, с фотографированием атомов все равно возникают сложности — эти объекты предстают простыми шариками, форма электронных облаков на таких снимках не видна.

На просвет

Если заменить свет на рентгеновское излучение, можно просветить и непрозрачные предметы. Настоящий прорыв в этой области произошел тогда, когда физики разработали способ получения ярких пучков рентгеновских лучей и научились управлять ими, создав рентгеновскую оптику.

Синхротронное излучение, возникающее при торможении разогнанных ускорителями заряженных частиц, позволяет изучать окаменевшие останки доисторических животных. Вращая образец под рентгеновскими лучами, мы можем получать трехмерные томограммы — именно так был найден, например, мозг внутри черепа рыб, вымерших 300 миллионов лет назад. Можно обойтись и без вращения, если дополнить регистрацию прошедшего излучения фиксацией рассеянных за счет дифракции рентгеновских лучей.

И это еще не все возможности, которые открывает рентгеновское излучение. При облучении им многие материалы флуоресцируют, причем по характеру флуоресценции можно определить химический состав вещества: таким способом ученые определяют окраску древних артефактов, цвета потускневших рисунков, читают стертые в Средние века труды Архимеда или узнают окраску перьев давно вымерших птиц.

Позируют атомы

На фоне всех тех возможностей, которые предоставляют рентгеновские или оптико-флуоресцентные методы, новый способ фотографирования отдельных атомов уже кажется не таким уж большим прорывом в науке. Суть метода, который позволил получить представленные на этой неделе изображения, такова: с ионизированных атомов срывают электроны и направляют их на специальный детектор. Каждый акт ионизации срывает электрон с определенного положения и дает одну точку на «фотографии». Накопив несколько тысяч таких точек, ученые сформировали картинку, отображающую наиболее вероятные места обнаружения электрона вокруг ядра атома, а это по определению и есть электронное облако.

В заключение скажем, что возможность видеть отдельные атомы с их электронными облаками — это скорее вишенка на торте современной микроскопии. Ученым было важно исследовать структуру материалов, изучать клетки и кристаллы, а обусловленное этим развитие технологий дало возможность дойти до атома водорода. Все, что меньше, — уже сфера интересов специалистов по физике элементарных частиц. А биологам, материаловедам и геологам еще есть куда совершенствовать микроскопы даже с довольно скромным на фоне атомов увеличением. Специалистам по нейрофизиологии, к примеру, давно хочется иметь прибор, способный видеть отдельные клетки внутри живого мозга, а создатели марсоходов продали бы душу за электронный микроскоп, который влезал бы на борт космического аппарата и мог бы работать на Марсе.

Источник: lenta.ru

Чертово Городище: история

Что касается происхождения названия, то оно вполне очевидно. Слишком неестественными предстают перед спутником эти скалы – словно их выстроила нечистая сила. Впрочем, существует еще одна, достаточно оригинальная гипотеза происхождения топонима. Дело в том, что слово «Чортан», точнее «Сортан», можно разложить на составляющие «Сарт-тан». В переводе с мансийского языка – это «передняя торговля». Эти слова при восприятии русскими были трансформированы – Сартан – Чертын – Чертов. Вот и получилось Чертово Городище – городище передней торговли.

Как установили археологи, человек с давних времен присутствовал в районе Чертова Городища. В ходе раскопок у подножья скал было найдено много черепков глиняной посуды и кусочков листовой меди. Находили и медные подвески-обереги. Находки относят к эпохе железного века. Наша далекие предки глубоко почитали Городище. Они считали их прибежищем духов и приносили им жертвы. Тем самым люди пытались задобрить высшие силы, чтобы все было благополучно.

Первым научным описанием «каменного города» мы обязаны членам Уральского Общества Любителей Естествознания (УОЛЕ). 26 мая 1861 года состоялся поход, инициатором которого стал житель Верх-Исетского завода Владимир Захарович Земляницын – священник, действительный член УОЛЕ. Он пригласил своих знакомых (тоже членов УОЛЕ) — книготорговца Павла Александровича Наумова и преподавателя екатеринбургской гимназии Ипполита Андреевича Машанова.

Однако отчет об этой экспедиции был опубликован лишь 12 лет спустя («Записки УОЛЕ», том 11 , вып. 1, 1873). Вот его фрагмент:

«Один из постоянных жителей Верх-Исетского завода В.З.З. со своим знакомым решил посетить Чертово городище, будучи наслышаны от местных старожилов о (его) существовании близ Исетского озера <…>. Из Верх-Исетска они проехали сначала на с-з по зимней Верх-Невинской дороге в деревеньку Коптяки, лежащую на ю-в берегу Исетского озера. В Коптяках путники переночевали в доме у старосты Балина. Вечером ходили на берег Исетского озера, полюбовались видом озера и отрогами Уральских гор на противоположном берегу, и чуть заметной деревенькой Мурзинкой на северном берегу. На озере вдали было видно Соловецкие острова – на них существовали раскольничьи скиты. На другой день 27 мая путники выехали, напутствуемые советами старосты Балина. По его словам: «Нечистая сила» больно играет около «Городища» и нередко сбивает православных с пути. Путники отправились на «плотинку», находящуюся от Коптяков в двух верстах <…>.

Оставив лошадей на плотинке у сторожа и расспросив еще раз о дороге на «Городище», путники решились отправится в путь одни, без проводника, имея при себе только компас. <…> Наконец, миновав болото, они по горам вышли на широкую просеку. Просека упиралась в перешеек, соединявший две невысокие горы. Между горами росли три гигантские лиственницы, послужившие впоследствии маяками для отправлявшихся на «Городище». Они скрываются в лесу на правой горе. Потом предстоял подъем в гору, сначала по густой траве, потом по бурелому, и, наконец, по так называемой в народе «Чертовой гриве». Впрочем, «грива» эта весьма облегчает восхождение на «Чертово городище», потому что идешь по гранитным плитам, как по ступеням. Один из путников первым добрался до «Чертовой гривы» и закричал: «Ура! Близко должно быть!». Действительно, среди сосняка <…> забелела какая-то <…> масса. Это было «Чертово городище».

Машанов взял с Чертова Городища образцы гранита и передал их в музей УОЛЕ.

В 1874 г. членами УОЛЕ была проведена вторая экскурсия на Чертово Городище. На этот раз в ней принял участие и сам Онисим Егорович Клер. Скалы Чертово Городища оказали на него настолько сильное впечатление, что он писал: «а не циклопические ли это сооружения древних людей?..»

В.Л. Метенков первым сфотографировал Чертово Городище и издал почтовую открытку с его изображением.

Художник Терехов снял очень отчетливое изображение этих скал. Он изготовил бесплатно 990 фотоснимков для «Записок УОЛЕ» и высказал просьбу, чтобы эти фотоснимки ему были зачтены, как пожизненный взнос в УОЛЕ. Просьба его была удовлетворена.

По фотографиям заметно, что облик Чертова Городища со временем постепенно меняется.

Очередная экскурсия состоялась 20 августа 1889 года. В нее отправились члены УОЛЕ С.И. Сергеев, А.Я. Пономарев и др. Они отправились с только что построенной станции Исеть. Прошли несколько километров вдоль железнодорожного полотна и свернули к горам.

Но их поход не задался. В первый день они не смогли отыскать Чертово Городище и весь день проблуждали в болотах в пойме речки Кедровки. Потом случайно встретили людей, посланных начальником станции Исеть на их поиски и вернулись на станцию, где и переночевали. Лишь на следующий день они разыскали Чертово Городище и поднялись на вершины скал.

Чертов Городище:поход выходного дня

В настоящее время Чертово Городище — самый посещаемый скальный массив в окрестностях Екатеринбурга. К сожалению, более ста лет массовых посещений не могло не отразится на экологической обстановке и внешнем облике скального массива.

Почти вся поверхность скал покрыта надписями. Первая из них появилась еще в 1902 году! Общее же число наскальных надписей, по подсчетам свердловских школьников, проведенных под руководством Т.Ю. Серых в 1970-х годах, около 1700. Это сильно портит вид скал.Скалы, Чертово Городище, фото, Свердловская областьСейчас в это трудно поверить, но было время, когда Чертово Городище было закрыто для туристов. Для самовосстановления природы Первоуральский горисполком на 5 лет (до 31 декабря 1985 г.) закрывал этот район для посещений туристов. В то же время всю округу очистили от накопленного за многие годы бытового мусора, а на скалах оборудовали скалодром. Спустя 5 лет скалы вновь были открыты для массовых посещений.

Как добраться до Чертова Городища?

Чертово Городище хорошо для посещения в любое время года. Для того, чтобы попасть на Чертово Городище, нужно сесть на электропоезд Свердловск — Нижний Тагил и доехать до станции Исеть.

Сойдя с поезда, пройти метров 200 назад вдоль ж/д путей. Здесь вы увидите автомобильную дорогу, уходящую под небольшим углом направо. Идти по ней мимо промышленных предприятий. Постепенно дорога переходит в улицу Заводскую. По ней нужно пройти до конца, после чего повернуть направо на ул. Мира (на ней стоят желтые двухэтажные дома). Метров через 50 после этого, после дома № 3 (перед продуктовым магазином) повернуть налево. Эта дорога идет в лес. После лесничества у подножия горы будет развилка. Наезженная грунтовая дорога поворачивает налево, нам же нужно идти прямо по дороге в долгую гору. Это прямая тропа к нужным нам скалам. По ней нужно идти прямо в южном направлении, никуда не сворачивая. Даже зимой она всегда хорошо натоптана.

Примерно за километр до Чертова Городища вы выйдете на обширную вырубку и на горке по правую руку от вас увидите скалы — так называемые Малые Черти. По высоте они не сравнимы с Городищем, но достойны того, чтобы их посмотреть. Можно доехать до подножия горы Чертова Городища и на автомобиле. От Исети идет достаточно хорошая грунтовая дорога. Ориентир, до которого ехать, — кордон у подножия горы. Зимой обычно есть тропа к Городищу и со станции Гать. Для этого от станции нужно идти по тропе на запад. Летом здесь не пройти — не позволит болото.

При желании можно пройти по интересному маршруту ст. Исеть — Чертово Городище — оз. Песчаное — ск. Соколиный Камень — ст. Северка. Расстояние составит около 30 км. Лучше выделить на этот поход два дня. Также поблизости от Чертова Городища находятся такие достопримечательности, как скалы Петра Гронского (Петрогром), гора Мотаиха, Исетское озеро.

Координаты для GPS-навигатора
56.941667, 60.347222

Скалы Чертово Городище: где остановиться?

Поход на Чертово Городище — популярнейший маршрут выходного дня в окрестностях Екатеринбурга. Переночевать здесь можно только в собственных палатках. Ближайшие гостиницы — только в Екатеринбурге.

Источник: www.kramola.info

В микромире прекрасное кажется ужасным, и наоборот. Вирус смотрится красивее, чем здоровая ткань. Безобидный зеленый лист выглядит угрожающе, а прекрасный человеческий волос, с которым хоть сейчас под венец или в рекламу шампунек, — бревно бревном.

Если человек не любит прогулки, а дома помирает со скуки, подарите ему микроскоп. Можно электронный, если финансы позволяют. Скуку как ветром унесет, если начать рассматривать в микроскоп самые обыденные, привычные вещи. И животных, конечно.

Для старта рассмотрим в микроскоп то, что находится буквально под руками.

Это, например, бумага, к которой приложился степлер и вогнал в нее скобку:

А это — микросхема в вашем компьютере или телефоне.

Вот ржавый гвоздь, который давно пора выдернуть.

А вот — кошачий волос. Опять Барсик на клавиатуре отсыпался.

Поверхность салфетки Клинекс, которой хочется протереть то ли лицо, то ли лицо на мониторе, смотрится в микроскопе следующим образом:

А музыка на виниловой пластинке выглядит так. Это дорожки, по которым танцует игла.

Это — краешек почтовой марки, надорванной, непригодной для коллекционирования:

А это — обыкновенная пылинка, которая летает над головой в воздухе квартиры, но скоро упадет на пол.

Вот волокна нейлона. По всей видимости, это колготки в мелкую сеточку (автор фото не признается, утверждает, будто так выглядит под волшебным стеклом смирительная рубашка).

А вот ватная ухочистка, бывшая в употреблении и забытая на полочке в ванной комнате…

…ванной комнате, откуда вылетела испуганная мокрая муха небесной красоты:

А вот и ее лапа. Подозрительно чистая.

Так выглядит под микроскопом ягодка клубники:

Так — плесень на варенье, куда садилась муха неделю назад:

А так — листик конопли, на который муха еще не садилась:

А вот и паутина, в которую наша муха скоро попадется:

Спичечная головка:

Бритвенный станок с двумя лезвиями, волосками мужской щетины и засохшей пеной для бритья:

А вот — мыльная пена, которая еще не успела высохнуть. Самое, пожалуй, прекрасное в микромире. Прекраснее вирусов.

Ну и о самом страшном не забудем.
Самое кошмарное для многих из нас — это сверло бормашины в кабинете у улыбчивого дантиста. Вот какое оно, оказывается, тупое:

Сегодня сделать фотку микроскопического мира проще простого, достаточно купить и приделать к компьютеру USB-микроскоп. Что-то да получится. А лучшие, невероятно очаровательные нанопейзажи и нанопортреты получаются с помощью таких дорогостоящих устройств, как сканирующий атомно-силовой микроскоп. В нем рабочим органом является игла, заточенная до атомных размеров. Увеличение атомного микроскопа достигает миллиона.

Современные нанофографии способны потеснить со стен музеев и частных коллекций великие произведения живописи. Вот, например, изображение практически безупречного золотого кристалла, полученное Виолеттой Навара в Мадридском университете, который недавно обзавелся атомным микроскопом, нам и ученым на загляденье.

А это — протонная мембрана, в которой в кристаллическую решетку никеля внесены частицы оксида церия. Без таких мембран не обходятся двигатели межгалактических звездолетов.

Лесом у берегов сибирской (или канадской?) речки выглядит для ученого из Техаса образец полимера, покрытого пористым силиконом.

На цветы подсолнуха похожи нановолокна оксида кремния. Удобрениями для цветения стали катализаторы роста на основе золота и легкоплавкого металла галлия. Диаметр золотистых волокон — всего 10 нанометров, а длина — несколько микрон.

На стеклянный витраж (макро) похожи вкрапления намагниченного железа (микро) на поверхности кристалла арсената магния.

Это погрызенное обкуренным бобром бревно — не что иное, как рассеченный кончик человеческого волоса. Такая картинка должна использоваться в рекламе шампуней и парикмахерских услуг, можно и бобра пририсовать для интриги.

А вот как под мощнейшим микроскопом выглядит кончик очень острой иглы из вольфрама:

Существуют в мире различные наноустройства, совершающие механическое движение. Они собраны из микроскопических шестеренок, ползунков и рычагов. Управлять такими машинами могут такие субтильные существа, как клещи.

Настоящий, не офисный, планктон можно обнаружить в капле морской воды, если надеть ее на игольное ушко и сфотографировать под 20-кратным увеличением.

А вот как выглядит под микроскопиком пыльца дрёмы красной, многолетнего растения, растущего в сырых местах русской природы и цветущего всё лето на радость фотографам. Так ведь и до совершенства недалеко, правда?

Знаете, что будет, если в доме на столе одновременно рассыпать соль и перец? Будет много камней, по которым не захотят лазить микробы. И никто ни с кем не поссорится.

Ищете хорошие струны для бас-гитары? Обычно они выглядят примерно так:

Туалетная бумага — так:

А так — шестидневный эмбрион человека. Ярые противники абортов считают его полноценным живым существом, на которое распространяются заповеди:

Через месяц человечек становится уже таким, и теперь его — жалко.

Спасибо за внимание!

Источник: ucrazy.ru

Аркадий Курамшин,
кандидат химических наук
«Химия и жизнь» №5, 2017

Можно ли с помощью микроскопа разглядеть атом, отличить его от другого атома, проследить за разрушением или образованием химической связи и увидеть, как одна молекула превращается в другую? Да, если это не простой микроскоп, а атомно-силовой. А можно и не ограничиваться наблюдением. Мы живем в то время, когда атомно-силовой микроскоп перестал быть просто окном в микромир. Сегодня этот прибор можно использовать для перемещения атомов, разрушения химических связей, изучения предела растяжения одиночных молекул — и даже для исследования генома человека.

Буквы из ксеноновых пикселей

Рассмотреть атомы не всегда было так просто. История атомно-силового микроскопа началась в 1979 году, когда Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в Исследовательском центре компании IBM в Цюрихе, приступили к созданию прибора, который позволил бы изучать поверхности с атомным разрешением. Чтобы придумать такое устройство, исследователи решили использовать эффект туннельного перехода — способность электронов преодолевать, казалось бы, непроходимые барьеры. Идея состояла в том, чтобы, измеряя силу туннельного тока, возникающего между сканирующим зондом и изучаемой поверхностью, определять положение атомов в образце.

У Биннига и Рорера получилось, и они вошли в историю как изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), а в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике. Сканирующий туннельный микроскоп совершил настоящую революцию в физике и химии.

В 1990 году Дон Айглер и Эрхард Швайцер, работавшие в исследовательском центре IBM в Калифорнии, показали, что СТМ можно применять не только для наблюдения за атомами, но для манипулирования ими. С помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа они создали, возможно, самый популярный образ, символизирующий переход химиков к работе с отдельными атомами — нарисовали на никелевой поверхности три буквы 35 атомами ксенона (рис. 1).

Бинниг не стал почивать на лаврах — в год получения Нобелевской премии совместно с Кристофером Гербером и Кельвином Куэйтом, также работавшими в Цюрихском исследовательском центре IBM он начал работу над еще одним устройством для изучения микромира, лишенного недостатков, которые присущи СТМ. Дело в том, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа нельзя было изучать диэлектрические поверхности, а только проводники и полупроводники, да и для анализа последних между ними и зондом микроскопа нужно было создать значительное разрежение. Поняв, что создать новое устройство проще, чем модернизировать существующее, Бинниг, Гербер и Куэйт изобрели атомно-силовой микроскоп, или АСМ. Принцип его работы кардинально иной: для получения информации о поверхности измеряют не силу тока, возникающую между зондом микроскопа и изучаемым образцом, а значение возникающих между ними сил притяжения, то есть слабых нехимических взаимодействий — сил Ван-дер-Ваальса.

Первая рабочая модель АСМ была устроена сравнительно просто. Исследователи перемещали над поверхностью образца алмазный зонд, связанный с гибким микромеханическим датчиком — кантилевером из золотой фольги (между зондом и атомом возникает притяжение, кантилевер гнется в зависимости от силы притяжения и деформирует пьезоэлектрик). Степень изгиба кантилевера определялась с помощью пьезоэлектрических датчиков — сходным образом канавки и гребни виниловой пластинки превращаются в аудиозапись. Конструкция атомно-силового микроскопа позволяла ему детектировать силы притяжения до 10^–18 ньютон. Через год после создания рабочего прототипа исследователям удалось получить изображение рельефа поверхности графита с разрешением в 2,5 ангстрема.

За три десятка лет, прошедших с тех пор, АСМ использовали для изучения практически любых химических объектов — от поверхности керамического материала до живых клеток и отдельных молекул, причем находящихся как в статическом, так и динамическом состоянии. Атомно-силовая микроскопия стала рабочей лошадкой химиков и материаловедов, а количество работ, в которых применяется этот метод, постоянно растет (рис. 2).

За эти годы исследователи подобрали условия и для контактного, и для бесконтактного изучения объектов с помощью атомно-силовой микроскопии. Контактный метод описан выше, он основан на вандерваальсовом взаимодействии между кантилевером и поверхностью. При работе в бесконтактном режиме пьезовибратор возбуждает колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к тому, что и амплитуда, и фаза колебаний зонда изменяются. Несмотря на некоторые недостатки бесконтактного метода (в первую очередь чувствительность к внешним шумам), именно он исключает воздействие зонда на исследуемый объект, а значит, интереснее для химиков.

Живо по зондам, в погоню за связями

Бесконтактной атомно-силовая микроскопия стала в 1998 году благодаря работам ученика Биннига — Франца Йозефа Гиссибла. Именно он предложил использовать в качестве кантилевера кварцевый эталонный генератор стабильной частоты. Спустя 11 лет исследователи из лаборатории IBM в Цюрихе предприняли еще одну модификацию бесконтактного АСМ: роль зонда-сенсора выполнял не острый кристалл алмаза, а одна молекула — монооксид углерода. Это позволяло перейти к субатомному разрешению, что и продемонстрировал Лео Гросс из цюрихского отдела IBM. В 2009 году с помощью АСМ он сделал видимыми уже не атомы, а химические связи, получив достаточно четкую и однозначно читаемую «картинку» для молекулы пентацена (рис. 3; Science, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).

Убедившись, что с помощью АСМ можно увидеть химическую связь, Лео Гросс решил пойти дальше и применить атомно-силовой микроскоп для измерения длин и порядков связей — ключевых параметров для понимания химической структуры, а следовательно, и свойств веществ.

Напомним, что различие в порядках связей указывает на разные значения электронной плотности и различные межатомные расстояния между двумя атомами (говоря проще, двойная связь короче одинарной). В этане порядок связи углерод-углерод равен единице, в этилене — двум, а в классической ароматической молекуле — бензоле — порядок связи углерод-углерод больше единицы, но меньше двух, и считается равным 1,5.

Определить порядок связи гораздо сложнее при переходе от простых ароматических систем к плоским или объемным поликонденсированным циклическим системам. Так, порядок связей в фуллеренах, состоящих из конденсированных пяти- и шестичленных углеродных циклов, может принимать любое значение от единицы до двух. Та же самая неопределенность теоретически присуща и полициклическим ароматическим соединениям.

В 2012 году Лео Гросс совместно с Фабианом Моном показал, что атомно-силовой микроскоп с металлическим бесконтактным зондом, модифицированным монооксидом углерода, может измерять различия в распределении зарядов у атомов и межатомные расстояния — то есть параметры, ассоциированные с порядком связи (Science, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).

Для этого они изучили два типа химических связей в фуллерене — связь углерод-углерод, общую для двух шестичленных углеродсодержащих циклов фуллерена С₆₀, и связь углерод-углерод, общую для пяти- и шестичленного циклов. Атомно-силовой микроскоп показал, что при конденсации шестичленных циклов образуется связь более короткая и с большим порядком, чем при конденсации циклических фрагментов C₆ и C₅. Изучение же особенностей химического связывания в гексабензокоронене, где вокруг центрального цикла C₆ симметрично расположено еще шесть циклов C₆, подтвердило результаты квантово-химического моделирования, согласно которым порядок связей С—С центрального кольца (на рис. 4 буква i) должен быть больше, чем у связей, объединяющих это кольцо с периферийными циклами (на рис. 4 буква j). Сходные результаты получили и для более сложного полициклического ароматического углеводорода, содержащего девять шестичленных циклов.

Порядки связей и межатомные расстояния, конечно же, интересовали химиков-органиков, но важнее это было тем, кто занимался теорией химической связи, предсказанием реакционной способности и изучением механизмов химических реакций. Тем не менее и химиков-синтетиков, и специалистов по изучению структуры природных соединений ждал сюрприз: оказалось, что атомно-силовой микроскоп можно применять для установления структуры молекул точно так же, как ЯМР или ИК-спектроскопию. Более того, он дает однозначный ответ на вопросы, с которыми эти методы не в состоянии справиться.

От фотографии к кинематографу

В 2010 году все тот же Лео Гросс и Райнер Эбел смогли однозначно установить строение природного соединения — цефаландола А, выделенного из бактерии Dermacoccus abyssi (Nature Chemistry, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Состав цефаландола А установили ранее с помощью масс-спектрометрии, однако анализ спектров ЯМР этого соединения не давал однозначного ответа на вопрос о его структуре: возможны были четыре варианта. С помощью атомно-силового микроскопа исследователи сразу же исключили две из четырех структур, а из двух оставшихся правильный выбор сделали, сравнив результаты, полученные благодаря АСМ и квантово-химическому моделированию. Задача оказалась непростой: в отличие от пентацена, фуллерена и короненов, в состав цефаландола А входят не только атомы углерода и водорода, кроме того, у этой молекулы нет плоскости симметрии (рис. 5) — но и такую задачу удалось решить.

Еще одно подтверждение того, что атомно-силовой микроскоп можно использовать как аналитический инструмент, получили в группе Оскара Кустанца, в то время работавшего в инженерной школе Университета Осаки. Он показал, как с помощью АСМ различить атомы, отличающиеся друг от друга гораздо меньше, чем углерод и водород (Nature, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц исследовал поверхность сплава, состоящего из кремния, олова и свинца с известным содержанием каждого элемента. В результате многочисленных экспериментов он выяснил, что сила, возникающая между острием зонда АСМ и разными атомами, различается (рис. 6). Так, например, самое сильное взаимодействие наблюдалось при зондировании кремния, а самое слабое — при зондировании свинца.

Предполагается, что в дальнейшем результаты атомно-силовой микроскопии для распознавания отдельных атомов будут обрабатываться так же, как результаты ЯМР, — по сравнению относительных величин. Поскольку точный состав иглы датчика трудно контролировать, абсолютное значение силы между датчиком и различными атомами поверхности зависит от условий эксперимента и марки устройства, а вот отношение этих сил при любом составе и форме датчика остается постоянным для каждого химического элемента.

В 2013 году появились первые примеры использования АСМ для получения изображений отдельных молекул до и после химических реакций: создается «фотосет» из продуктов и полупродуктов реакции, который потом можно смонтировать своего рода документальный фильм (Science, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).

Феликс Фишер и Майкл Кромми из Университета Калифорнии в Беркли нанесли на поверхность серебра 1,2-бис[(2-этинилфенил)этинил]бензол, получили изображение молекул и нагрели поверхность, чтобы инициировать циклизацию. Половина исходных молекул превратилась в полициклические ароматические структуры, состоящие из конденсированных пяти шестичленных и двух пятичленных циклов. Еще четверть молекул образовала структуры, состоящие из четырех шестичленных циклов, связанных через один четырехчленный цикл, и двух пятичленных циклов (рис. 7) . Остальными продуктами были олигомерные структуры и, в незначительном количестве, полициклические изомеры.

Такие результаты дважды удивили исследователей. Во-первых, в ходе реакции образовалось всего лишь два главных продукта. Во-вторых, удивление вызвала их структура. Фишер отмечает, что химическая интуиция и опыт позволяли нарисовать десятки возможных продуктов реакции, однако ни один из них не соответствовал тем соединениям, которые образовывались на поверхности. Возможно, протеканию нетипичных химических процессов способствовало взаимодействие исходных веществ с подложкой.

Естественно, что после первых серьезных успехов в изучении химических связей некоторые исследователи решили применить АСМ для наблюдения более слабых и менее изученных межмолекулярных взаимодействий, в частности водородной связи. Однако в этой области работы еще только начинаются, а результаты их противоречивы. Так, в одних публикациях сообщается, что атомно-силовая микроскопия позволила наблюдать водородную связь (Science, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), в других утверждают, что это всего лишь артефакты, обусловленные конструкционными особенностями прибора, а экспериментальные результаты нужно интерпретировать аккуратнее (Physical Review Letters, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Возможно, окончательный ответ на вопрос, можно ли наблюдать водородные и другие межмолекулярные взаимодействия с помощью атомно-силовой микроскопии, будет получен уже в этом десятилетии. Для этого необходимо еще хотя бы в несколько раз повысить разрешение АСМ и научиться получать изображения без помех (Physical Review B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).

Синтез одной молекулы

В умелых руках и СТМ и АСМ превращаются из приборов, способных изучать вещество, в приборы, способные направленно изменять строение вещества. С помощью этих устройств уже удалось получить «самые маленькие химические лаборатории», в которых вместо колбы используется подложка, а вместо молей или миллимолей реагирующих веществ — отдельные молекулы.

Например, в 2016 году международная группа ученых во главе с Такаси Кумагаи использовала бесконтактную атомно-силовую микроскопию для перевода молекулы порфицена из одной ее формы в другую (Nature Chemistry, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфицен можно рассматривать как модификацию порфирина, во внутреннем цикле которого содержится четыре атома азота и два атома водорода. Колебания зонда АСМ передавали молекуле порфицена достаточно энергии для переноса этих водородов от одних атомов азота к другим, и в результате получалось «зеркальное отражение» этой молекулы (рис. 8).

Группа под руководством неутомимого Лео Гросса также показала, что возможно инициировать реакцию отдельно взятой молекулы, — они превратили дибромантрацен в десятичленный циклический диин (рис. 9; Nature Chemistry, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). В отличие от Кумагаи с соавторами, они использовали сканирующий туннельный микроскоп для активации молекулы, а за результатом реакции следили с помощью атомно-силового микроскопа.

Комбинированное применение сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа позволило даже получить молекулу, которую невозможно синтезировать с помощью классических приемов и методов (Nature Nanotechnology, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Это триангулен — нестабильный ароматический бирадикал, существование которого было предсказано шесть десятилетий назад, но все попытки синтеза были неудачными (рис. 10). Химики из группы Нико Павличека получили искомое соединение, оторвав от его прекурсора два атома водорода с помощью СТМ и подтвердив синтетический результат с помощью АСМ.

Предполагается, что число работ, посвященных применению атомно-силовой микроскопии в органической химии, еще будет расти. В настоящее время все больше ученых пытаются повторить на поверхности реакции, хорошо знакомые «растворной химии». Но, возможно, химики-синтетики начнут воспроизводить в растворе те реакции, которые были первоначально осуществлены на поверхности с помощью АСМ.

От неживого — к живому

Кантилеверы и зонды атомно-силовых микроскопов можно применять не только для аналитических исследований или синтеза экзотических молекул, но и для решения прикладных задач. Уже известны случаи использования АСМ в медицине, например для ранней диагностики рака, и здесь пионером выступает тот самый Кристофер Гербер, который приложил руку к разработке принципа атомно-силовой микроскопии и созданию АСМ.

Так, Герберу удалось научить АСМ определять точечную мутацию рибонуклеиновой кислоты при меланоме (на материале, полученном в результате биопсии). Для этого золотой кантилевер атомно-силового микроскопа модифицировали олигонуклеотидами, которые могут вступать в межмолекулярное взаимодействие с РНК, а силу этого взаимодействия все также можно измерить за счет пьезоэффекта. Чувствительность сенсора АСМ настолько велика, что его уже пытаются применить для изучения эффективности популярного метода редактирования геномов CRISPR-Cas9. Здесь воедино объединяются технологии, созданные разными поколениями исследователей.

Перефразируя классика одной из политических теорий, можно сказать, что мы уже сейчас видим безграничные возможности и неисчерпаемость атомно-силовой микроскопии и вряд ли в силах представить, что ждет нас впереди в связи с дальнейшим развитием этих технологий. Но уже сегодня сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп дают нам возможность увидеть атомы и прикоснуться к ним. Можно сказать, что это не только продолжение наших глаз, позволяющее заглянуть в микрокосм атомов и молекул, но и новые глаза, новые пальцы, способные прикоснуться к этому микрокосму и управлять им.

Источник: elementy.ru