Атом водорода, запечатлев электронные облака. И хотя современные физики с помощью ускорителей могут определять даже форму протона, атом водорода, по-видимому, так и останется самым мелким объектом, изображение которого имеет смысл называть фотографией. «Лента.ру» представляет обзор современных методов фотографирования микромира.
Строго говоря, обычной фотографии в наши дни почти не осталось. Изображения, которые мы по привычке называем фотографиями и можем найти, к примеру, в любом фоторепортаже «Ленты.ру», вообще-то, являются компьютерными моделями. Светочувствительная матрица в специальном приборе (по традиции его продолжают называть «фотоаппаратом») определяет пространственное распределение интенсивности света в нескольких разных спектральных диапазонах, управляющая электроника сохраняет эти данные в цифровом виде, а потом другая электронная схема на основе этих данных отдает команду транзисторам в жидкокристаллическом дисплее. Пленка, бумага, специальные растворы для их обработки - все это стало экзотикой. А если мы вспомним буквальное значение слова, то фотография - это «светопись». Так что говорить о том, что ученым удалось сфотографировать атом, можно лишь с изрядной долей условности.
Больше половины всех астрономических снимков уже давно делают инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы. Электронные микроскопы облучают не светом, а пучком электронов, а атомно-силовые и вовсе сканируют рельеф образца иглой. Есть рентгеновские микроскопы и магнитно-резонансные томографы. Все эти приборы выдают нам точные изображения различных объектов, и несмотря на то что о «светописи» говорить здесь, разумеется, не приходится, мы все же позволим себе именовать такие изображения фотографиями.
Эксперименты физиков по определению формы протона или распределения кварков внутри частиц останутся за кадром; наш рассказ будет ограничен масштабами атомов.
Оптика не стареет
Как выяснилось во второй половине XX века, оптическим микроскопам еще есть куда развиваться. Решающим моментом в биологических и медицинских исследованиях стало появление флуоресцентных красителей и методов, позволяющих избирательно помечать определенные вещества. Это не было «всего лишь новой краской», это был настоящий переворот.
Вопреки расхожему заблуждению, флуоресценция - это вовсе не свечение в темноте (последнее называется люминесценцией). Это явление поглощения квантов определенной энергии (скажем, синего света) с последующим излучением других квантов меньшей энергии и, соответственно, иного света (при поглощении синего испускаться будут зеленые). Если поставить светофильтр, который пропускает только излучаемые красителем кванты и задерживает свет, вызывающий флуоресценцию, можно увидеть темный фон с яркими пятнами красителей, а красители, в свою очередь, могут расцвечивать образец чрезвычайно избирательно.
Например, можно покрасить цитоскелет нервной клетки красным, синапсы выделить зеленым, а ядро - голубым. Можно сделать флуоресцентную метку, которая позволит обнаружить белковые рецепторы на мембране или синтезируемые клеткой в определенных условиях молекулы. Метод иммуногистохимического окрашивания совершил революцию в биологической науке. А когда генные инженеры научились делать трансгенных животных с флуоресцентными белками, этот метод пережил второе рождение: реальностью стали, например, мыши с окрашенными в разные цвета нейронами.
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 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.
По сути, первый микроскоп представлял собой струбцину с закрепленной на ней сферической линзой. Аналогом такого микроскопа может быть простая игральная карта с проделанным в ней отверстием и каплей воды. По некоторым данным подобные устройства применяли золотодобытчики на Колыме уже в прошлом столетии.
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 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.
Электронный микроскоп позволил рассмотреть устройство клеток в недосягаемом ранее качестве. Но по этому снимку нельзя понять возраст клеток и наличие в них тех или иных белков, а эта информация очень нужна ученым.
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 - 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.
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 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 окраску древних артефактов, стертые в Средние века труды Архимеда или 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.
Когда-нибудь видели атомы? Мы с вами из них состоим, поэтому фактически да. Но видели ли вы когда-нибудь один единственный атом? Недавно удивительная фотография всего одного атома, захваченная электрическими полями, победила в престижном конкурсе научной фотографии, удостоивших высшей награды. На конкурс фото попало под вполне логичным названием «Single Atom in Ion Trap» (Один атом в ионной ловушке), а его автором является Дэвид Надлингер из Оксфордского университета.
Британский Научно-исследовательский совет инженерных и физических наук (EPSRC) объявил победителей своего национального конкурса научной фотографии, среди которых главного приза удостоилось фото одного атома
На фото атом представлен в виде крошечного пятнышка света между двумя металлическими электродами, расположенными на расстоянии около 2 мм друг от друга.
Подпись к фото:
"В центре фотографии видна небольшая яркая точка - один положительно заряженный атом стронция. Он удерживается почти неподвижно электрическими полями, исходящими от окружающих его металлических электродов. При освещении лазером сине-фиолетового цвета атом достаточно быстро поглощает и повторно излучает светлые частицы, благодаря чему обычная камера могла сфотографировать его с длинной выдержкой."
"Фото было сделано через окно камеры сверхвысокого вакуума, в которой находится ловушка. Охлажденные лазером атомные ионы представляют собой отличную базу для изучения и использования уникальных свойств квантовой физики. Они используются для создания чрезвычайно точных часов или, как в этом случае, в качестве частиц для построения квантовых компьютеров будущего, которые смогут решать задачи, затмевающие сегодняшние даже самые мощнейшие суперкомпьютеры."
Если вам всё-таки не удалось рассмотреть атом, то вот он
"Идея того, что можно увидеть один атом невооружённым глазом поразила меня до глубины души, являясь своеобразным мостом между крошечным квантовым миром и нашей макроскопической реальностью", - сказал Дэвид Надлингер.
Как известно, все материальное во Вселенной состоит из атомов. Атом – это мельчайшая единица материи, которая несет в себе ее свойства. В свою очередь, структура атома складывается из волшебного триединства микрочастиц: протонов, нейтронов и электронов.
При этом каждая из микрочастиц универсальна. То есть, не найти на свете двух разных протонов, нейтронов или электронов. Все они абсолютно друг на друга похожи. И свойства атома будут зависеть только от количественного состава этих микрочастиц в общем строении атома.
Например, структура атома водорода состоит из одного протона и одного электрона. Следующий по сложности, атом гелия состоит из двух протонов, двух нейтронов и двух электронов. Атом лития — из трех протонов, четырех нейтронов и трех электронов и т. д.
Структура атомов (слева направо): водорода, гелия, лития
Атомы соединяются в молекулы, а молекулы — в вещества, минералы и организмы. Молекула ДНК, являющаяся основой всего живого – структура, собранная из тех же трех волшебных кирпичиков мироздания, что и камень, лежащий на дороге. Хотя эта структура и намного более сложная.
Еще более удивительные факты открываются тогда, когда мы пытаемся поближе рассмотреть пропорции и строение атомной системы. Известно, что атом состоит из ядра и электронов, двигающихся вокруг него по траектории, описывающей сферу. То есть это даже нельзя назвать движением в обычном понимании этого слова. Электрон скорее находится везде и сразу в пределах этой сферы, создавая вокруг ядра электронное облако и формируя электромагнитное поле.
Схематические изображения строения атома
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и в нем сосредоточена почти вся масса системы. Но при этом, само ядро настолько мало, что если увеличить его радиус до масштаба в 1 см, то радиус всей структуры атома достигнет сотни метров. Таким образом, все, что мы воспринимаем как плотную материю, более чем на 99% состоит из одних только энергетических связей между физическими частицами и менее чем 1% — из самих физических форм.
Но что представляют собой эти физические формы? Из чего они состоят, и насколько они материальны? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте подробнее рассмотрим структуры протонов, нейтронов и электронов. Итак, мы спускаемся еще на одну ступеньку в глубины микромира – на уровень субатомных частиц.
Из чего состоит электрон
Самая маленькая частица атома – электрон. Электрон обладает массой, но при этом не обладает объемом. В научном представлении электрон не из чего не состоит, а представляет собой бесструктурную точку.
Под микроскопом электрон невозможно увидеть. Он наблюдаем только в виде электронного облака, которое выглядит как размытая сфера вокруг атомного ядра. При этом с точностью, где находится электрон в момент времени, невозможно сказать. Приборы же способны запечатлеть не саму частицу, а только лишь ее энергетический след. Суть электрона не вкладывается в представления о материи. Он скорее подобен некой пустой форме, существующей только в движении и за счет движения.
Никакой структуры в электроне до сих пор не было обнаружено. Он является такой же точечной частицей, как и квант энергии. Фактически, электрон — и есть энергия, однако, это более устойчивая ее форма, нежели та, которая представлена фотонами света.
В настоящий момент электрон считают неделимым. Это понятно, ведь невозможно разделить то, что не имеет объема. Однако в теории уже есть наработки, согласно которым в составе электрона лежит триединство таких квазичастиц как:
- Орбитон – содержит информацию об орбитальном положении электрона;
- Спинон – ответственен за спин или вращательный момент;
- Холон – несет информацию о заряде электрона.
Впрочем, как видим, квазичастицы с материей уже не имеют абсолютно ничего общего, и несут в себе одну только информацию.
Фотографии атомов разных веществ в электронный микроскоп
Интересно, что электрон может поглощать кванты энергии, например, света или тепла. В этом случае атом переходит на новый энергетический уровень, а границы электронного облака расширяются. Бывает и такое, что энергия, поглощаемая электроном настолько велика, что он может выскочить из системы атома, и далее продолжить свое движение как независимая частица. При этом он ведет себя подобно фотону света, то есть, он будто бы перестает быть частицей и начинает проявлять свойства волны. Это было доказано в эксперименте.
Эксперимент Юнга
В ходе эксперимента на экран с двумя прорезанными в нем щелями был направлен поток электронов. Проходя через эти прорези, электроны сталкивались с поверхностью еще одного – проекционного – экрана, оставляя на нем свой след. В результате такой «бомбардировки» электронами на проекционном экране появлялась интерференционная картина, подобная той, которая появилась бы, если бы через две прорези проходили бы волны, но не частицы.
Такой рисунок возникает из-за того, что волна, проходя между двух щелей, делится на две волны. В результате дальнейшего движения волны накладываются друг на друга, и на некоторых участках происходит их взаимное гашение. В результате мы получаем много полос на проекционном экране, вместо одной, как это было бы, если бы электрон вел себя как частица.
Структура ядра атома: протоны и нейтроны
Протоны и нейтроны составляют ядро атома. И притом, что в общем объеме ядро занимает менее 1%, именно в этой структуре сосредоточена почти вся масса системы. А вот на счет структуры протонов и нейтронов физики разделились во мнениях, и на данный момент существует сразу две теории.
- Теория №1 — Стандартная
Стандартная модель говорит о том, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков, соединенных между собой облаком глюонов. Кварки являются точечными частицами, так же, как кванты и электроны. А глюоны – это виртуальные частицы, обеспечивающие взаимодействие кварков. Однако в природе так и не было найдено ни кварков, ни глюонов, потому эта модель поддается жестокой критике.
- Теория №2 — Альтернативная
А вот по альтернативной теории единого поля, разработанной Эйнштейном, протон, как и нейтрон, как и любой другая частица физического мира, представляет собой вращающееся со скоростью света электромагнитное поле.
Электромагнитные поля человека и планеты
Каковы же принципы строения атома?
Все в мире – тонкое и плотное, жидкое, твердое и газообразное – это лишь энергетические состояния бесчисленных полей, пронизывающих пространство Вселенной. Чем выше уровень энергии в поле, тем оно тоньше и менее уловимо. Чем ниже энергетический уровень, тем оно более устойчивое и ощутимое. В структуре атома, как и в структуре любой другой единицы Вселенной, лежит взаимодействие таких полей – разных по энергетической плотности. Выходит, а материя – только иллюзия ума.
1. Но начнем мы совсем с другой стороны. Прежде чем отправиться в путешествие к глубинам материи, давайте обратим свой взор вверх.
Например, известно, что до Луны в среднем почти 400 тысяч километров, до Солнца - 150 миллионов, до Плутона (который уже не виден без телескопа) - 6 миллиардов, до ближайшей звезды Проксимы Центавра - 40 триллионов, до ближайшей крупной галактики туманности Андромеды - 25 квинтиллионов, и наконец до окраин обозримой Вселенной - 130 секстиллионов.
Впечатляюще, конечно, но разница между всеми этими «квадри-», «квинти-» и «сексти-» не кажется столь уж огромной, хотя они и различаются между собой в тысячу раз. Совсем другое дело микромир. Разве в нем может быть скрыто так уж много интересного, ведь ему просто негде там поместиться. Так говорит нам здравый смысл и ошибается .
2. Если на одном конце логарифмической шкалы отложить самое маленькое известное расстояние во Вселенной, а на другом - самое большое, то посередине окажется… песчинка. Её диаметр - 0.1 мм.
3. Если положить в ряд 400 млрд песчинок, их ряд обогнёт весь земной шар по экватору. А если собрать эти же 400 млрд в мешок, весить он будет около тонны.
4. Толщина человеческого волоса - 50–70 микронам, то есть их 15–20 штук на миллиметр. Для того чтобы выложить ими расстояние до Луны, потребуется 8 триллионов волос (если складывать их не по длине, а по ширине, конечно). Поскольку на голове у одного человека их около 100 тысяч, то если собрать волосы у всего населения России, до Луны хватит с лихвой и даже еще останется.
5. Размер бактерий - от 0.5 до 5 микрон. Если увеличить среднюю бактерию до такого размера, что она удобно ляжет нам в ладонь (в 100 тысяч раз), толщина волоса станет равной 5 метрам.
6. Кстати, внутри человеческого тела обитает целый квадриллион бактерий, а их общий вес составляет 2 килограмма. Их, собственно, даже больше, чем клеток самого тела. Так что вполне можно сказать, что человек - это просто такой организм, состоящий из бактерий и вирусов с небольшими вкраплениями чего-то еще.
7. Размеры вирусов различаются еще больше, чем бактерий, - чуть ли не в 100 тысяч раз. Если бы дело обстояло так с людьми, то они были бы ростом от 1 сантиметра до 1 километра, и их социальное взаимодействие стало бы любопытным зрелищем.
8. Средняя длина наиболее распространенных разновидностей вирусов - 100 нанометров или 10^(-7) степени метра. Если мы снова выполним операцию приближения таким образом, чтобы вирус стал размером с ладонь, то длина бактерии будет 1 метр, а толщина волоса - 50 метров.
9. Длина волны видимого света - 400–750 нанометров, и увидеть объекты меньше этой величины попросту невозможно. Попытавшись осветить такоей объект, волна просто обогнет его и не отразится.
10. Иногда задают вопрос, как выглядит атом или какого он цвета. На самом деле, атом не выглядит никак. Просто вообще никак. И не потому, что у нас недостаточно хорошие микроскопы, а потому что размеры атома меньше расстояния, для которого существует само понятие «видимости»…
11. Вдоль окружности земного шара можно плотно разместить 400 триллионов вирусов. Много. Такое расстояние в километрах свет проходит за 40 лет. Но если собрать их всех вместе, то они легко поместятся на кончике пальца.
12. Примерный размер молекулы воды - 3 на 10^(-10) метра. В стакане воды таких молекул 10 септиллионов - примерно столько миллиметров от нас до Галактики Андромеды. А в кубическом сантиметре воздуха молекул 30 квинтиллионов (в основном, азота и кислорода).
13. Диаметр атома углерода (основы всей жизни на Земле) - 3.5 на 10^(-10) метра, то есть даже чуть больше, чем молекулы воды. Атом водорода в 10 раз меньше - 3 на 10^(-11) метра. Это, конечно, мало. Но насколько мало? Поражающий всякое воображение факт состоит в том, что мельчайшая, едва различимая крупинка соли состоит из 1 квинтиллиона атомов.
Давайте обратимся к нашему стандартному масштабу и приблизим атом водорода так, чтобы он удобно лег в руку. Вирусы тогда будут 300-метрового размера, бактерии 3-километрового, а толщина волоса станет равна 150 километрам, и даже в лежащем состоянии он выйдет за границы атмосферы (а в длину может достать и до Луны).
14. Так называемый «классический» диаметр электрона - 5.5 фемтометров или 5.5 на 10^(-15) метра. Размеры протона и нейтрона еще меньше и составляют около 1.5 фемтометров. Протонов в метре примерно столько же, сколько муравьев на планете Земля. Используем уже привычное нам увеличение. Протон удобно лежит у нас в ладони, - и тогда размер среднего вируса окажется равным 7 000 километрам (почти как вся Россия с запада на восток, между прочим), а толщина волоса в 2 раза превысит размеры Солнца.
15. О размерах сложно сказать что-то определенное. Предполагается, что они находятся где-то в пределах 10^(-19) - 10^(-18) метра. Самый маленький - истинный кварк - «диаметром» (давайте для напоминания о вышесказанном будем писать это слово в кавычках) 10^(-22) метра.
16. Есть еще такая штука как нейтрино. Посмотрите на свою ладонь. Через нее ежесекундно пролетает триллион нейтрино, испущенных Солнцем. И можете не прятать руку за спину. Нейтрино с легкостью пройдут и сквозь ваше тело, и сквозь стену, и сквозь всю нашу планету, и даже сквозь слой свинца толщиной в 1 световой год. «Диаметр» нейтрино равен 10^(-24) метра - эта частица в 100 раз меньше истинного кварка, или в миллиард раз меньше протона, или в 10 септиллионов раз меньше тираннозавра. Почти во столько же раз сам тираннозавр меньше всей обозримой Вселенной. Если увеличить нейтрино так, чтобы он был размером с апельсин, то даже протон будет в 10 раз больше Земли.
17. А сейчас я искренне надеюсь, что вас должна поразить одна из двух нижеследующих вещей. Первая - мы можем продвинуться еще дальше (и даже сделать какие-то осмысленные предположения о том, что там будет). Вторая - но при этом двигаться вглубь материи бесконечно все-таки нельзя, и вскоре мы уткнемся в тупик. Вот только для достижения этих самых «тупиковых» размеров нам придется опуститься еще на 11 порядков, если считать от нейтрино. То есть эти размеры меньше нейтрино в 100 миллиардов раз. Во столько же раз песчинка меньше всей нашей планеты, кстати.
18. Итак, на размерах 10^(-35) метра нас ждет такое замечательное понятие, как планковская длина, - минимальное расстояние из возможных в реальном мире (насколько это принято считать в современной науке).
19. Еще здесь обитают квантовые струны - объекты весьма примечательные с любой точки зрения (например, они одномерны, - у них нет толщины), но для нашей темы важно, что их длина тоже находится в пределах 10^(-35) метра. Давайте проделаем наш стандартный «увеличительный» эксперимент в последний раз. Квантовая струна становится удобного размера, и мы держим ее в руке как карандаш. При этом нейтрино будет в 7 раз больше Солнца, а атом водорода в 300 раз превысит размеры Млечного Пути.
20. Наконец мы подошли к самой структуре мироздания - масштабу, на котором пространство становится похожим на время, время на пространство, и происходят разные другие причудливые штуки. Дальше уже ничего нет (наверное)…
В эволюции человека нет «недостающего звена»
Термин «недостающее звено» вышел из обращения в научных кругах, так как связан с ошибочным предположением о том, что эволюционный процесс линеен и идёт последовательно, «по цепочке». Вместо этого биологи пользуются термином «последний общий предок».
Интересные факты о Солнечной системе
Принялся Трурль ловить атомы, соскабливать с них электроны, месить протоны, так что лишь пальцы мелькали, приготовил протонное тесто, выложил вокруг него электроны и - за следующий атом; не прошло и пяти минут, как держал он в руках брусочек чистого золота: подал его морде, она же, на зуб брусочек попробовав и головой кивнув, сказала:
- И в самом деле золото, только я не могу так за атомами гоняться. Слишком я большой.
- Ничего, мы дадим тебе особый аппаратик! - уговаривал его Трурль.
Станислав Лем, «Кибериада»
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 С 60 , 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 C 6 и C 5 . Изучение же особенностей химического связывания в гексабензокоронене, где вокруг центрального цикла C 6 симметрично расположено еще шесть циклов C 6 , 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.
