Молекулы под электронным микроскопом. Получены первые изображения атомов водорода и углерода в микроскопе

Возможность увидеть своими глазами субатомные частицы крайне важна для современной физики. Ранее учёным уже удавалось сделать фотографии и . Однако сфотографировать сам атом, а не какую-либо его часть представлялось крайне трудной задачей даже при использовании самых высокотехнологичных устройств.

Дело в том, что согласно законам квантовой механики , невозможно одинаково точно определить все свойства субатомной частицы. Этот раздел теоретической физики построен по принципу неопределённости Гейзенберга , который гласит, что невозможно одинаково точно измерить координаты и импульс частицы — точные измерения одного свойства непременно изменят данные о другом.

Поэтому, вместо того чтобы определять местонахождение (координаты частицы), квантовая теория предлагает измерить так называемую волновую функцию .

Волновая функция работает почти так же, как и звуковая волна. Различие лишь в том, что математическое описание звуковой волны определяет движение молекул в воздухе в определённом месте, а волновая функция описывает вероятность появления частицы в том или ином месте по уравнению Шрёдингера .

Измерить волновую функцию также непросто (прямые наблюдения приводят к её коллапсу), но физики-теоретики могут примерно предсказать её значения.

Экспериментально измерить все параметры волновой функции можно только в том случае, если собрать её из отдельных разрушающих измерений, проведённых на полностью идентичных системах атомов или молекул.

Физики из голландского исследовательского института AMOLF представили новый метод, не требующий никаких "перестроек", и опубликовали результаты своей работы в журнале Physical Review Letters. Их методика построена на гипотезе 1981 года трёх советских физиков-теоретиков, а также на более поздних исследованиях.

В ходе эксперимента команда учёных направила два лазерных луча на атомы водорода, помещённые в специальную камеру. В результате такого воздействия электроны покинули свои орбиты с той скоростью и в том направлении, которые определялись их волновыми функциями. Сильное электрическое поле в камере, где находились атомы водорода, направило электроны на определённые части планарного (плоского) детектора.

Положение электронов, попадающих на детектор, определялось их начальной скоростью, а не позицией в камере. Таким образом, распределение электронов на детекторе рассказало учёным о волновой функции этих частиц, которая была у них, когда они покинули орбиту у ядра атома водорода.

Движения электронов отображались на фосфоресцентном экране в виде тёмных и светлых колец, которые учёные сфотографировали цифровой камерой с высоким разрешением.

"Мы очень довольны нашими результатами. Квантовая механика так мало имеет дело с повседневной жизнью людей, что вряд ли кто-то мог подумать о получении реального фотоснимка квантовых взаимодействий в атоме", — говорит ведущий автор исследования Анета Стодолна (Aneta Stodolna). Также она утверждает, что разработанная методика может иметь и практическое применение, к примеру, для создания проводников толщиной в атом, развития технологии молекулярных проводов, что значительно усовершенствует современные электронные приборы.

"Примечательно, что эксперимент был проведён именно на водороде — одновременно простейшем и самом распространённом веществе в нашей Вселенной. Нужно будет понять, можно ли применить эту методику для более сложных атомов. Если да, то это большой прорыв, который позволит развить не только электронику, но и нанотехнологии", — говорит Джеф Ландин (Jeff Lundeen) из университета Оттавы, который не принимал участия в исследовании.

Впрочем, сами учёные, проводившие эксперимент, не задумываются о практической стороне вопроса. Они считают, что их открытие в первую очередь относится к фундаментальной науке, которая поможет передать больше знаний будущим поколениям физиков.

Микроскоп является, наверное, самым удобным инструментом, позволяющим разглядеть кирпичики мироздания. Сначала микроскопы представляли собой оптические системы, увеличение в которых достигалось с помощью линз, фокусирующих отраженные от исследуемого образца или прошедшие сквозь него световые лучи.

Затем с развитием техники оптические микроскопы уступили место электронным аналогам, где вместо световых волн используются сфокусированные потоки электронов. Они, подобно квантам света, поглощаются или рассеиваются различными веществами и материалами, но позволяют добиться увеличения куда большего, чем в оптических микроскопах. Связано это с явлением дифракции света, «огибания» электромагнитными волнами препятствий, которое не позволяет разглядеть в оптические устройства объекты меньше примерно 300 нм - этот размер соответствует ультрафиолетовому краю видимого света. Электроны также представляют собой волны (равно как и частицы), но длина их волны существенно меньше.

В настоящее время существует масса микроскопических методов, позволяющих проводить исследования в нанодиапазоне, - это сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая и так далее.

Наибольшего увеличения и разрешения на сегодняшний день можно добиться с помощью технологии трансмиссивной, или просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) высокого разрешения.

Она заключается в пропускании сфокусированного электронного пучка сквозь тонкий образец. Этим образцом может быть наноразмерный кристаллит неорганического вещества, углеродные нанотрубки, фуллерены и так далее. С помощью просвечивающего микроскопа и математического аппарата преобразования сигнала можно видеть отдельные атомы, образующие кристаллическую решетку просвечиваемого твердого тела, рассчитывать его параметры и так далее. Казалось бы, о чем еще можно мечтать физикам и химикам? И действительно, ТЭМ до сих остается пределом мечтаний для сотрудников многих отечественных учебно-научных учреждений: цена одного такого аппарата сравнима со стоимостью истребителя.

Тем не менее и такой аппарат не всесилен, увидеть в нем даже при разрешении в доли нанометра можно далеко не каждый атом.

Дело в том, что легкие атомы, такие как углерод, кислород, азот и уж тем более водород, обладающие небольшим количеством электронов, очень слабо рассеивают поток электронов. На фоне сигнала проводящей подложки, на которой лежит образец, и шума детектора сигнал этих атомов становится совершенно незаметным. Поэтому вплоть до последнего времени просвечивающая электронная микроскопия применялась в подавляющем большинстве случаев для исследования строения неорганических материалов, состоящих из тяжелых и богатых электронами атомов. Между тем азот, водород, кислород и углерод - это биогенные элементы, входящие в состав всех органических соединений, а потому представляют едва ли не больший интерес для ученых, нежели все неорганические материалы вместе взятые.

Приспособить ТЭМ под исследование объектов органической природы позволил уже завоевавший славу углеродный материал графен. Тонкий углеродный лист графена атомарной толщины оказался прекрасной подложкой для соединений из легких атомов для изучения их на просвет электронным пучком.

Открытие это было сделано во многом случайно. Янник Мейер, входящий в группу профессора Алекса Зеттля из Калифорнийского университета в Беркли, но работающий сейчас в Университете немецкого города Ульм, изучал сами графеновые листы, пытаясь подобрать параметры съемки и настроить соотношение «сигнал--шум» своего микроскопа наилучшим образом.

В один прекрасный момент ему пришло в голову, что «шум», от которого никак не удается избавиться, есть не что иное, как легкие углеродные атомы на поверхности графена.

Оказалось, что графен, обладая минимально возможной толщиной в сочетании с феноменальной электронной проводимостью, дает очень низкий уровень шума, а прочностные характеристики этого материала позволяют ему выдерживать бомбардировку электронным пучком в течение многих часов. команды ученых вышла в свет в журнале Nature.

Случайным ли образом в камере просвечивающего микроскопа Мейера оказались молекулы органических соединений, или они присутствуют там всегда и у всех, - сейчас сказать уже тяжело. Тем не менее Мейер, без сомнения, - первый, кто смог наблюдать динамику их движения по поверхности графена.

Какие перспективы открывает новая методика просвечивающей микроскопии, разработанная специалистами из Беркли?

Главное, теперь становится возможным воочию наблюдать простые и сложные органические молекулы напрямую с помощью микроскопа, а не «щупать» их методами ядерного магнитного резонанса и рентгеновской дифракции.

Кроме того, по словам Зеттля , взаимодействие этих молекул на поверхности и с поверхностью отныне можно будет наблюдать в динамике. Если раньше ученым приходилось анализировать состав продуктов и промежуточных веществ в ходе реакции, а затем строить сложные кинетические модели цепных реакций для установления их механизма, то в перспективе они смогут ограничиться простым наблюдением за молекулами взаимодействующих веществ напрямую; благо, ТЭМ позволяет наблюдать, что называется, «живую» картинку.

Конечно, такие радужные перспективы не могут пока исключить нескольких очень важных «но».

Во-первых, изучение структуры органических соединений, адсорбированных на поверхности, должно учитывать то обстоятельство, что конформация многих молекул в ходе такого адсорбционного взаимодействия может значительно измениться. О влиянии конформации молекулы на ход реакций, особенно если дело касается природных соединений, «Газета.Ru» писала в понедельник.

Во-вторых, если предметом изучения становится изучение взаимодействия органики с поверхностью твердого тела - задачи, очень важной в гетерогенном катализе, - графен не слишком-то и интересен, ибо со структурной и химической точки зрения он очень прост, чтобы не сказать примитивен. А синтезировать подложки толщиной в несколько атомов из более интересных соединений с каталитической или структурной точки зрения - задача во многих случаях просто неразрешимая.

Наблюдение легких соединений с помощью ТЭМа таит в себе и ряд чисто технических сложностей. Однако, как показывает опыт развития науки техники последних лет, ученые наверняка найдут способ извернуться и в этом случае.

Давайте попробуем. Не думаю, что все написанное ниже полностью справедливо, и я вполне мог что-то упустить, но анализ существующих ответов на подобные вопросы и собственные размышления выстроились вот во что:

Возьмем атом водорода: один протон и один электрон на его орбите.

Радиус атома водорода - это как раз радиус орбиты его электрона. В природе он равен 53 пикометрам, то есть 53×10^-12 метра, мы же хотим увеличить его до 30×10^-2 метра - где-то в 5 миллиардов раз.

Диаметр протона (то есть, нашего атомного ядра) - 1.75×10^−15 м. Если увеличить его до желаемых размеров, он окажется размером 1×10^−5 метра, то есть одна сотая миллиметра. Это неразличимо неворуженным взглядом.

Давайте лучше увеличим протон сразу до размеров горошины. Орбита электрона окажется тогда радиусом с футбольное поле.

Протон будет представлять собой область положительного заряда. Он состоит из трех кварков, которые меньше его примерно в тысячу раз - их мы точно не увидим. Существует мнение, что если посыпать этот гипотетический объект магнитной стружкой, она соберется вокруг центра в сферическое облачко.

Электрон увидеть не выйдет. Никакой шарик вокруг атомного ядра летать не будет, «орбита» электрона представляет собой лишь область, в разных точках которой электрон может находиться с разной вероятностью. Можно представить это себе как сферу диаметром со стадион вокруг нашей горошины. В случайных точках внутри этой сферы возникает и моментально пропадает отрицательный электрический заряд. Причем, делает это настолько быстро, что даже в любой отдельно взятый момент времени говорить о его конкретном расположении не имеет смысла... да, это непостижимо. Проще говоря, это никак не «выглядит».

Интересно, кстати, что, увеличив атом до макроскопических размеров, мы надеемся его «увидеть» - то есть, засечь отраженный от него свет. На самом же деле атомы обыкновенных размеров свет не отражают, речь в атомных масштабах идет о взаимодействиях между электронами и фотонами. Электрон может поглотить фотон и перейти на следующий энергетический уровень, он может испустить фотон и так далее. При гипотетическом увеличении этой системы до размеров футбольного поля понадобится слишком много допущений, чтобы предсказать поведение этой невозможной конструкции: будет ли фотон так же воздействовать на гигантский атом? Нужно ли «смотреть» на него, бомбардируя его специальными гигантскими фотонами? Будет ли он излучать гиганские фотоны? Все эти вопросы, строго говоря, не имеют смысла. Думаю, впрочем, можно с уверенностью сказать, что атом не станет отражать свет так, как делал бы это металлический шарик.

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.