Как выглядит молекула воды под микроскопом
В новый микроскоп IBM видно межатомные связи в молекуле
Научно-исследовательское подразделение IBM Research в Цюрихе опубликовало картинки, которые удалось сгенерировать с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа (АСМ). На изображениях можно различить отдельные атомы углерода в шарообразной молекуле C60. Видны даже химические связи между атомами, то есть перекрывающиеся электронные облака («размазанные» электроны, в терминологии Шрёдингера).
В 2009 году именно эта группа учёных IBM впервые получила фотографию отдельной молекулы: вот этот исторический снимок молекулы пентацена из пяти бензольных колец. Та фотография была сделана при температуре 5°K в сверхвысоком вакууме.
Сейчас учёные значительно увеличили разрешение АСМ, хотя работает он на прежнем принципе. На конце чувствительной головки АСМ помещена отдельная молекула угарного газа (CO), которая раскачивается над сканируемой поверхностью. При приближении к «чужим» атомам наша молекула испытывает силы притяжения и слегка меняет амплитуду покачиваний.
Столь высокая разрешающая способность микроскопа открывает удивительные перспективы: мы можем своими глазами увидеть, как происходят химические реакции на молекулярном уровне, а также лучше изучить структуру материалов с уникальными свойствами, таких как графен. Теоретически было известно, что атомы углерода в графене и других веществах находятся на разном расстоянии друг от друга и отличаются силой связей: если в том же графене они сильные, то в молекулах, например, ароматических углеводородов связи гораздо слабее, хотя атомная решётка там похожей гексагональной формы. Теперь мы можем своими глазами увидеть эту разницу.
Лучшее изучение молекулярной структуры продвинет вперёд исследования новых материалов и позволит создать более эффективные органические фотоэлементы, органические светодиоды (OLED) и другие материалы.
Результаты исследования IBM Research опубликованы в журнале Science.
Структура воды под микроскопом
Олег, спасибо огромное за ответ, в принципе все понятно, хочу вам отправить описание микроскопа и наши физики утверждают что с помощью него можно видеть изменение структуры воды за счет изменения строения молекул и атомов воды (например вращение электронов в другую сторону).Что вы об этом думаете? Мне интересно ваше мнение, так эксперимент по Волге будет проходить именно в этом направлении а вот для того чтобы зафиксировать результат достаточно быстро, я пока ни у кого (Эмото это будет делать с помощью замораживания, С г-ном Коротковым мы пока общались мало но он согласен быть там же)не увидела. Спасибо огромное!
Для того чтобы исследовать механизмы кристаллизации воды и формирование снежинок можно использовать простой световой микроскоп с увеличением в 500 раз. Однако, возможности светового микроскопа не безграничны. Предел разрешения светового микроскопа задается длиной световой волны, то есть оптический микроскоп может быть использован только для изучения таких структур, минимальные размеры которых сопоставимы с длиной волны светового излучения. Чем короче длина волны излучения, тем она мощнее и тем выше ее проникающая способность и разрешение микроскопа Лучший световой микроскоп имеет разрешающую способность около 0.2 мкм (или 200 нм), то есть примерно в 500 раз улучшает человеческий глаз.
Именно с помощью светового микроскопа известный японский исследователь Масару Эмото сделал свои удивительные фотографии снежинок и кристаллов льда и установил, что никакие два образца воды не образуют полностью одинаковых кристаллов при замерзании, и что их форма отражает свойства воды, несет информацию о том или ином воздействии, оказанном на воду. Для получения фотографий микрокристаллов капельки воды помещались в 50 чашек Петри и резко охлаждались в морозильнике в течение 2 часов. Затем они помещались в специальный прибор, состоящий из холодильной камеры и светового микроскопа с подключенным к нему фотоаппаратом. Образцы рассматривались при температуре –5°С в под увеличением 200—500 раз. В лаборатории М. Эмото были исследованы образцы воды из различных водных источников всего мира. Вода подвергалась различным видам воздействия, такие как музыка, изображения, электромагнитное излучение от телевизора, мысли одного человека и групп людей, молитвы, напечатанные и произнесенные слова.
Рис. Микрофотография снежинки льда, полученная на обычном световом микроскопе.
Существуют несколько модификаций световой микроскопии. Например, в фазово-контрастном микроскопе, действие которого основано на том, что при прохождении света через объект фаза световой волны меняется согласно коэффициенту рефракции объекта, благодаря чему часть света, проходящего через объект, оказывается сдвинутой по фазе на половину длины волны относительно другой части, чем и обусловлен контраст изображения. В интерференционном микроскопе используются эффекты интерференции света, возникающие при рекомбинации двух наборов волн, которые создают изображение структуры объекта. Поляризационный микроскоп предназначен для исследования взаимодействия образцов с поляризованным светом. Поляризованный свет нередко позволяет выявлять структуру объектов, лежащую за пределами обычного оптического разрешения.
Однако все эти микроскопы не позволяют изучать молекулярную структуру и все они имеют один главный недостаток – они не приемлемы для изучения воды. Для того, чтобы проводить более точные исследования необходимо применять более сложные и чувствительные микроскопические методы, основанные на использовании не световых, а электромагнитных, лазерных и рентгеновских волн.
Лазерный микроскоп предназначен для исследования многих содержащих флюорофорные группы биообъектов. Сейчас существуют 3-х мерные лазерные микроскопы, которые позволяют получать голографические картинки. Такой микроскоп состоит из пары водонепроницаемых отсеков, разделенных камерой, в которую поступает вода. В одном из отсеков находится синий лазер, который фокусируется на крошечном отверстии размером с булавочную головку, сканируя поступающую в камеру воду. Во втором отсеке напротив отверстия встроена цифровая камера. Лазер генерирует сферические световые волны, которые распространяются в воде. Если свет попадает на микроскопический объект (скажем, бактерию) – происходит дифракция, то есть молекула создает преломление луча света, которое фиксирует камера. Наиболее часто используемые флюорофоры имеют спектр возбуждения в промежутке 400-500 нм, в то время как длина волны возбуждающего лазера находится в промежутке 700-1000 нм (область инфракрасных волн).
Однако, для исследований структуры воды лазерная спектроскопия не подходит, поскольку вода прозрачна для лазерного излучения и флюорофорных групп не содержит, а лазерный луч с длиной волны 1400 нм значительно поглощается водой в живых тканях.
Для структурного изучения воды может быть использован рентгеновский микроскоп, который основан на использовании электромагнитного рентгеновского излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра и предназначен для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Современные рентгеновские микроскопы по разрешающей способности находятся между электронными и световыми микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нанометров, что на два порядка больше разрешающей способности обычного светового микроскопа (до 20 микрометров). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нанометров, но и такое разрешение недостаточно для исследования атомов и молекул.
Рис. Схема лазерного рентгеновского микроскопа.
1 —Лазерное излучение
2 —Испускаемое излучение
3 — Зона встречи лазерного излучение с частицей материи
4 — Генератор частиц
5 —Фотосенсор — приёмник спектра электромагнитных излучений возбужденных элементов плазменного облака
6 — Оптическая линза
10 — Единичная параболическая кремниевая Х-линза
Но всё же лазерный рентгеновский микроскоп для нашей России – большая экзотика. Самым мощным из всех существующих микроскопов является электронный микроскоп, который позволяет получать изображения с максимальным увеличением до 10 6 раз, позволяя видеть наночастицы и даже отдельных молекулы, используя для их освещения пучок электронов с энергиями 100-200 кВт. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000÷10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может составлять несколько ангстрем. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля.
Чтобы получить изображения больших молекул с атомарным разрешением, требуется провести эксперимент, используя лучи с ещё более короткими длинами волны, то есть применив не «мягкий», а «жёсткий» рентген www.membrana.ru/print.html?1163590140
Электронный микроскоп
Одним из самых мощных из всех существующих микроскопов является электронный микроскоп, который позволяет получать изображения с максимальным увеличением до 10 6 раз, благодаря использованию вместо светового потока с энергиями 30÷200 кВт и более. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000÷10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может составлять несколько ангстрем. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля.
Сейчас электронный микроскоп — один из важнейших приборов для фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела.
Существуют три основных вида электронных микроскопов. В 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), в 1950-х годах — растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ), а в 1980-х годах — растровый туннельный микроскоп (РТМ). Эти три вида микроскопов дополняют друг друга в исследованиях структур и материалов разных типов.
Но в 90-х годах прошлого века был создан микроскоп, более мощный чем электронный, способный проводить исследования на уровне атомов.
Атомно-силовая микроскопия была разработана Г. Биннигом и Г. Рорером, которым за эти исследования в 1986 была присуждена Нобелевская премия.
Создание атомно-силового микроскопа, способного чувствовать силы притяжения и отталкивания, возникающие между отдельными атомами, дало возможность проводить исследования объектов на наноуровне.
Рисунок ниже. Остриё микро-зонда (верх, взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 32.) и принцип работы сканирующего зондового микроскопа (взято из www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Пунктиром показан ход луча лазера.
Другая группа сканирующих зондовых микроскопов для построения рельефа поверхности использует так называемый квантово-механический «туннельный эффект». Суть туннельного эффекта состоит в том, что электрический ток между острой металлической иглой и поверхностью, расположенной на расстоянии около 1 нм, начинает зависеть от этого расстояния – чем меньше расстояние, тем больше ток. Если между иглой и поверхностью прикладывать напряжение 10 В, то этот «туннельный» ток может составить от 10 нА до 10 рА. Измеряя этот ток и поддерживая его постоянным, можно сохранять постоянным и расстояние между иглой и поверхностью. Это позволяет строить объёмный профиль поверхности кристаллов металлов.
Рисунок. Игла сканирующего туннельного микроскопа, находящаяся на постоянном расстоянии (см. стрелки) над слоями атомов исследуемой поверхности.
С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно не только двигать атомы, но и создавать предпосылки для их самоорганизации. Например, если на металлической пластине находится капля воды, содержащая ионы тиолов, то зонд микроскопа будет способствовать такой ориентации этих молекул, при которой их два углеводородных хвоста будут обращены от пластины. В результате, можно выстроить монослой тиольных молекул, прилипших к металлической пластине.
Рисунок. Слева – кантилевер (серый) сканирующего зондового микроскопа над металлической пластинкой. Справа – увеличенное изображение области (обведена белым на рисунке слева) под зондом кантилевера, на которой схематически показаны молекулы тиола с серыми углеводородными хвостами, выстраивающимися в монослой у кончика зонда. Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 44.
С помощью сканирующего туннельного микроскопа д-р Анджелос Микаелидес (Angelos Michaelides) из Центра нанотехнологий в Лондоне и профессор Карина Моргенштерн (Karina Morgenstern) из университета им. Лейбница в Ганновере исследовали молекулярную структуру льда, о чем была посвящена их статья в журнале Nature Materials.
Кроме микроскопии существуют и другие методы изучения структуры воды – спектроскопия протонного магнитного резонанса, лазернаяи инфракрасная спекроскопия, дифракция рентгеновских лучей и др.
Другие методы также позволяют изучать динамику молекул воды. Это эксперименты по квазиупругому рассеянию нейтронов, сверхбыстрой ИК-спектроскопии и изучение диффузии воды с помощью ЯМР или меченых атомов дейтерия. Метод ЯМР-спектроскопии основан на том, что ядро атома водорода имеет магнитный момент — спин, взаимодействующий с магнитными полями, постоянными и переменными. По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся, получая, таким образом, информацию о структуре молекулы.
Дифракцию рентгеновских лучей и нейтронов на воде изучали много раз. Однако подробных сведений о структуре эти эксперименты дать не могут. Неоднородности, различающиеся по плотности, можно было бы увидеть по рассеянию рентгеновских лучей и нейтронов под малыми углами, однако такие неоднородности должны быть большими, состоящими из сотен молекул воды. Можно было бы их увидеть, и исследуя рассеяние света. Однако вода — исключительно прозрачная жидкость. Единственный же результат дифракционных экспериментов — функции радиального распределения, то есть расстояния между атомами кислорода, водорода и кислорода-водорода. Эти функции для воды затухают гораздо быстрее, чем для большинства других жидкостей. Например, распределение расстояний между атомами кислорода при температуре, близкой к комнатной, даёт только три максимума, на 2,8, 4,5 и 6,7 Å. Первый максимум соответствует расстоянию до ближайших соседей, и его значение примерно равно длине водородной связи. Второй максимум близок к средней длине ребра тетраэдра — вспомним, что молекулы воды в гексагональном льду располагаются по вершинам тетраэдра, описанного вокруг центральной молекулы. А третий максимум, выраженный весьма слабо, соответствует расстоянию до третьих и более далёких соседей по водородной сетке. Этот максимум и сам не очень ярок, а про дальнейшие пики и говорить не приходится. Были попытки получить из этих распределений более детальную информацию. Так в 1969 году И.С. Андрианов и И.З. Фишер нашли расстояния вплоть до восьмого соседа, при этом до пятого соседа оно оказалось равным 3 Å, а до шестого — 3,1 Å. Это позволяет делать данные о дальнем окружении молекул воды.
Другой метод исследования структуры – нейтронная дифракция на кристаллах воды осуществляется точно также, как и рентгеновская дифракция. Однако из-за того, что длины нейтронного рассеяния различаются у разных атомов не столь сильно, метод изоморфного замещения становится неприемлемым. На практике обычно работают с кристаллом, у которого молекулярная структура уже приблизительно установлена другими методами. Затем для этого кристалла измеряют интенсивности нейтронной дифракции. По этим результатам проводят преобразование Фурье, в ходе которого используют измеренные нейтронные интенсивности и фазы, вычисляемые с учётом неводородных атомов, т.е. атомов кислорода, положение которых в модели структуры известно. Затем на полученной таким образом фурье-карте атомы водорода и дейтерия представлены с гораздо большими весами, чем на карте электронной плотности, т.к. вклад этих атомов в нейтронное рассеяние очень большой. По этой карте плотности можно, например, определить положения атомов водорода (отрицательная плотность) и дейтерия (положительная плотность).
Возможна разновидность этого метода, которая состоит в том, что кристалл льда, перед измерениями выдерживают в тяжёлой воде. В этом случае нейтронная дифракция не только позволяет установить, где расположены атомы водорода, но и выявляет те из них, способные обмениваться на дейтерий, что особенно важно при изучение изотопного (H-D)-обмена. Подобная информация помогает подтвердить правильность установления структуры. Но все эти методы достаточно сложны и требуют для проведения мощной дорогостоящей техники.
В результате экспериментов по квазиупругому рассеянию нейтронов в кристаллах воды был измерен важнейший параметр — коэффициент самодиффузии при различных давлениях и температурах. А новейшие методы фемтосекундной лазерной спектроскопии позволили оценить время жизни не только отдельных кластеров воды, но и время жизни разорванной водородной связи. Оказывается, кластеры довольно неустойчивы и могут распадаться через 0,5 пс, но могут жить и несколько пикосекунд. А вот распределение времён жизни водородных связей очень велико Но это время не превышает 40 пс, а среднее значение — несколько пс. Однако всё это средние величины.
Изучить детали строения и характера движения молекул воды можно и при помощи компьютерного моделирования, называемого иногда численным экспериментом, который позволяет исследователям рассчитывать новые модели воды.
Мы дома с помощью микроскопа sititek микрон space тоже пытались рассмотреть молекулы воды и льда. Очень интересное и занимательное действо. Различие структур сразу бросается в глаза.
«Фотографии» молекул
Меня вот заинтересовал момент, что левая структура полностью плоская, и кольца лежат в одной плоскости, хотя на первый взгляд они должны были бы лежать в перпендикулярных плоскостях по отношении друг к другу. С двумя правыми структурами все понятно, они то точно плоские (ну или почти плоские)
Интересно как будут выглядеть фотографии объемных структур
Атомы под микроскопом
Вот атомы. К сожалению, очень ускользнувшая публикация, можно встретить только на серьёзной лекции по микроскопии. AFM с молекулой CO2.
Этот пост больше для того, чтобы оценить, интересна ли наука пикабу. Если интересно, в следующих постах расскажу о том, как можно получить такое изображение ну и постараюсь популязировать науку, как её вижу =)
C18 был получен путём удаления монооксида углерода из молекулы C24O6 принципом атомно-силовой микроскопии на двухслойной поверхности хлорида натрия при температуре 5°K (-268,15°С)
По мнению учёных, циклоуглероды могут оказаться полезными в компьютерных технологиях в качестве чрезвычайно энергоэффективного компьютерного логического устройства. Кроме того, создание С18 открывает путь для синтеза других углеродных аллотропов, но пока что предстоит глубокое изучение свойств новой молекулы
Учёные впервые записали процесс вращения молекулы.
Даже с появлением продвинутых микроскопов изучение молекулярного мира остаётся для учёных сложной задачей. Группе европейских исследователей впервые в истории удалось записать процесс вращения молекул. В перспективе это открытие поможет в изучении квантовой физики и может быть использовано для наблюдения за различными биохимическими процессорами на недоступном ранее уровне.
Во время вращения молекулы происходит изменение её магнитных свойств, которое можно наблюдать с помощью специальной лабораторной техники. Один оборот занимает ничтожное количество времени — около триллионой доли секунды. Направляя лазерные импульсы прямо на молекулу карбонилсульфида, которая состоит из атомов кислорода, серы и углерода, учёным удалось заставить её вращаться в унисон с частотой колебания лазера.
С помощью вспомогательного лазера определялось положение молекулы в пространстве. Эксперимент пришлось повторять множество раз: под воздействием лазера «подопытная» полностью разрушалась. Сделав 651 снимок, учёные сумели создать на их основе короткий «фильм» длительностью 125 пикосекунд.
Все увиденные процессы подчиняются законам квантовой механики и отличаются от привычных для человека законов макромира. Определение точного положения и импульса молекулы в привычном понимании невозможно: на видео показана вероятность местонахождения молекулы с течением времени. Учёные считают, что данный метод наблюдения подойдёт и для других процессов: например, для изучения внутреннего скручивания молекул или «зеркальных» соединений, которые используются в биохимии и химической технологии.
Новость №829: Астрофизики обнаружили в космосе молекулу, которая была первым связанным состоянием атомов во Вселенной
Эволюция молекул. Первые паразиты и первая защита от них – клетка.
Хранением наследственной информации в клетке занимается ДНК, а за активную работу в ней отвечают белки. Но, помимо этих двух классов биополимеров, существует еще и посредник — молекула РНК, которую, так уж вышло, принято считать своего рода мальчиком на побегушках (см. нуклеиновые кислоты). В клетке РНК выполняет множество функций, но лишь сравнительно недавно выяснилось, что, помимо хранения и переноса информации, она еще и способна катализировать реакции. Это решало вопрос о том, что же появилось раньше — ДНК или белки. Ни одна из этих молекул не способна воспроизводить информацию без другой, РНК же могла выполнять обе функции. Предположение о существовании рибозимов (каталитических РНК) было выдвинуто еще в 60-х годах, но лишь в конце 80-х его удалось доказать.
Извлеченная РНК бактериофага вместе с РНК-репликазой была помещена в смесь свободных нуклеотидов (составных частей, кирпичиков РНК), где она могла безостановочно копипастить себя. Через некоторое время ее извлекали и помещали в новую смесь. Этот процесс повторялся до тех пор, пока после смены 74 поколений оригинальная РНК не уменьшилась с 4500 пар нуклеотидов до 218 (для сравнения — у кишечной палочки около 5 млн оснований, у человека — около 3 млрд).
Вирусный геном потерял более 80% своей длины и утратил способность к заражению бактерий. В искусственных условиях пробирки нужно было обскакать конкурентов по скорости репликации, а значит, сильнее сократить количество нуклеотидов.
Еще позже, в конце 90-х «монстра Шпигельмана» (так назвали эту необычную молекулу) удалось укоротить еще сильнее — до нескольких десятков нуклеотидов, необходимых только для распознавания фермента, начинающего репликацию.
При этом «монстр» снова может эволюционировать – при добавлении в пробирки бромистого этидия получались более длинные молекулы РНК, устойчивые к нему.
Эксперименты с эволюцией в пробирке продолжились. Оказалось, что если вообще убрать РНК и оставить только ее составные части и репликазу, то при определенных условиях может спонтанно возникать самореплицирующаяся РНК, очень похожая на монстра Шпигельмана. Выходит, даже такие сложные молекулы, как нуклеиновые кислоты, могут возникать без матрицы.
Данный эксперимент к тому же показал одну из проблем, для решения которой содружество биополимеров должно было собраться в клетку. Рано или поздно в результате мутации могла возникнуть эгоистичная молекула-паразит, не приносящая пользы и использующая общие ресурсы лишь для копирования самой себя. Спасти от этого может объединение содружеств биополимеров в изолированные ячейки, подобные клеткам.