Как выглядят атомы под микроскопом
Ученые взглянули на атомы в рекордном разрешении
На скриншоте видно изображение кристалла PrScO3, увеличенное в 100 миллионов раз. Оно получено с помощью электронной птихографии
В 2018 году ученые из Корнелла построили мощное устройство, которое вкупе с техникой сканирования под названием птихография, позволило установить новый мировой рекорд. Они взглянули на атомы в более высоком разрешении, чем позволяли на тот момент лучшие в мире электронные микроскопы.
Несмотря на успех, которого добились исследователи, у их подхода был важный недостаток. Их методика работала только с очень тонкими слоями материалов (не более нескольких атомов в толщину). Любой более толстый образец приводил к тому, что электроны «рассеивались», и их невозможно было хоть как-то анализировать.
Недавно команда специалистов во главе с Дэвидом Мюллером (David Muller) побила собственный рекорд. Она создала еще более продвинутый механизм, позволяющий взглянуть на атомы в еще более высоком разрешении. Причем настолько высоком, что на изображении остается лишь небольшое помутнение, которое вызвано «температурными скачками» самих атомов.
Работа исследователей под названием Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations была опубликована в журнале Science 20 мая.
«Это не просто новый мировой рекорд, — отмечает Мюллер. — Уже сейчас мы можем спокойной разглядывать атомы и идентифицировать их местоположение. Это открывает множество новых методик измерения данных. То, чего мы хотели достичь на протяжении многих лет. Также наше открытие решает проблемы с исследованием тканей, состоящих из большого количества слоев атомов».
Новый метод исследования позволил ученым рассматривать отдельные слои материала один за другим. Для этого используется компьютерная обработка множества изображений, полученных при помощи рассеивания света от исследуемого образца.
«Мы наблюдаем за отдельными подвижными частицами, которые засекает наш прибор, как кошки наблюдают за огоньком от лазерной указки, — говорит Мюллер. — Отслеживая поведение подвижных частиц в области наслоения интерференционных картин, мы можем использовать компьютер и просчитать то, как выглядит исследуемый образец на атомарном уровне».
Полученные данные воссоздаются с помощью сложных алгоритмов, что в итоге позволяет создать изображение с разрешением в пикометр (одна триллионная метра).
«С такими алгоритмами мы можем устранить практически все причины, вызывавшие помутнения картинки в прошлом. Единственное, что все еще немного мутит изображение — подвижность атомов из-за изменений температуры, — отмечает Мюллер. — Когда мы говорим о температуре, мы фактически говорим о том, насколько сильно дрожат атомы».
Исследователи могут побить собственный рекорд снова, если используют для экспериментов материал с более тяжелыми атомами (они менее подвижны) или охладят действующий экспериментальный образец. Но даже при нулевой температуре атомы будут шевелиться, поэтому значительного прироста в качестве картинки достичь не получится.
Электронная птихография позволит ученым отслеживать отдельные атомы в трех измерениях, а не в двух, как это было раньше. Также появится возможность отслеживать те примеси, которые невозможно обнаружить, используя классические микроскопы. Это будет особенно полезно при работе с полупроводниками, катализаторами и квантовыми материалами, включая те, что используются при создании квантовых компьютеров, а также при изучении атомов на границах соединения различных материалов. Кроме того, подобный метод исследования можно будет использовать для изучения клеток, биологических тканей и даже синапсов в мозге.
Пока что использование разработок Мюллера и его коллег обходится дорого. Нужно много времени и очень мощный компьютер, чтобы проанализировать все данные и составить четкое изображение в таком высоком разрешении. Но исследователи надеются сделать метод доступнее с помощью более мощных компьютеров и систем машинного обучения.
«Все это время мы будто носили очень плохие очки, — говорит Мюллер. — И сейчас нам словно впервые выдали пару с качественными диоптриями».
Фото одиночного атома: в чем секрет знаменитого снимка
Это реальное фото атома под электронным микроскопом сделана Дэвидом Нэдлингером и называется она «Одиночный атом в ионной ловушке». Пару лет назад она одержала победу в конкурсе на лучшую научную фотографию, проводимую Исследовательским советом инженерных и физических наук Великобритании. На фото изображен одиночный атом стронция в мощном электрическом поле. На него направлены лазеры, из-за чего атом испускает свет.
Что мы видим на снимке
Пусть частица и видна, рассмотреть как выглядит атом на фото все равно непросто. Если вы пристально вглядитесь в центр фотографии, то заметите слабо светящуюся голубую точку. Это и есть атом стронция, подсвеченный сине-фиолетовым лазером.
Стронций в эксперименте использовали из-за размера: у стронция 38 протонов, и диаметр его атома — несколько миллионных долей миллиметра. Обычно столь мелкий объект мы бы не разглядели, но ученые использовали трюк, чтобы сделать атом ярче. Благодаря этому и получилось красивое фото атома.
Как сделали снимок
На фото атом под электронным микроскопом освещен высокомощным лазером, из-за которого электроны, кружащиеся по орбите вокруг атома стронция, получают больше энергии и начинают испускать свет. Как только заряженные электроны дали достаточное количество света, самая обыкновенная камера смогла сделать настоящее фото атома.
Правда, если бы вы лично стояли рядом с этой установкой, то ничего бы не увидели. Снимок сделан с помощью длинной выдержки, так как что без оборудования весь этот свет все равно не заметить. К сожалению, другого способа увидеть реальный одиночный атом невооруженным глазом у человека просто нет. Пока нет. Надеемся, что вскоре научный мир вновь порадует нас новыми фото атомов.
Как на самом деле выглядит атом и как его можно увидеть (4 фото + видео)
Человеку трудно представить, насколько крохотны атомы. В обычной офисной бумаге, формата А4, если рассматривать ее толщину, находится 500 тыс. атомов, хотя для наших глаз, ее толщина не превышает и 1 мм.
Один атом в сравнении с яблоком настолько мал, насколько яблоко мало в сравнении с Землей. Тем не менее ученые могут видеть эти мизерные частицы мироздания. Это, конечно, возможно не воочию, а с помощью специальных высокоточных инструментов.
Теорию о том, что вся Вселенная состоит из крошечных частиц, предложил примерно в 400 году до н.э. Демоктрит. Платон продолжил работу над теорией, но в его понимании разные материи, состоят из разных по форме атомов. Первые современные представления о строении субстанций появились в начале XIX века, когда английский ученый Джон Дальтон осуществил прорыв в области строения веществ. Он выяснил, что все вещества всегда содержат целые числа атомов. Именно поэтому формулы имеют вид: Na2SO4 и H2CrO4, а не Na2,8SO4,1 и H2CrO√4. Не может быть четверти атома или половины, а только целый атом.
Изучение атомных связей началось с наблюдения за сеткой атомов кристаллов
Дальтон совершил великий прорыв, который объясняет множество химических процессов, хотя его современникам успех казался сомнительным, потому что химики не могли видеть атомы. Они воспринимали их как отрицательные числа или идеальные газы, применяемые при расчетах, но не существующие в реальности. Даже Менделеев отрицал существование атомов долгие годы.
Несмотря на то, что микроскопы появились уже в XVII веке, ученым пришлось ждать появление рентгеновских лучей, которые были открыты в самом конце XIX века. Рассмотреть что-либо в микроскоп можно, если длина волны света в микроскопе не больше того на что мы смотрим. Но длина видимого света в тысячи раз больше атома, поэтому лишь рентгеновские лучи оказались пригодными для изучения микромолекул, так как они намного короче.
Технология наблюдения за атомами при помощи туннельного микроскопа
Сегодня рентгеновское излучение, ставшее прорывом после его открытия Вильгельмом Рентгеном, применяется повсюду, от стоматологических клиник до химических лабораторий. Химические опыты с этим видом излучения сводятся к бомбардировке электромагнитными волнами кристаллов. Эти прочные субстанции из слоев атомов отражают лучи, которые возвращаются к детектору. Основываясь на полученном при соударении рисунке, специалисты выстраивают структуры атомов. Процесс отражения и взаимодействия лучей света называется дифракцией.
В 1950-х кристаллографы начали совершать открытия. Во время работы со структурами на основе исследований, проведенных Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Френсис Кирк открыли структуру ДНК. Хотя авторство открытия остается спорным, ведь Розалинд не желала, чтобы кто-то видел ее работы, но так или иначе им удалось показать миру, как расположены атомы в структуре ДНК.
Атом
Созданный в 1981 году сканирующий туннельный микроскоп Биннига и Рорера смог уловить сами атомы. СТМ оснащен иглой, которая двигается над поверхностью атомов, улавливая ландшафт. Благодаря СТМ выяснили, что атомы — это не кубы и пирамиды, а сферы разных размеров. В 1989 году ученые смогли манипулировать атомами. Была разработана сверхточная и сверхбыстрая камера, способная улавливать распад и формирование химических связей. Химик Ахмед Зевейл, создатель камеры, вывел науку на новый уровень. С тех пор научный мир получил ответы на многие вопросы: как работает сетчатка глаза, почему парят облака и истощается озоновый слой.
Прошло около 2,5 тыс. лет с того момента, когда первые ученые задумались о существовании мизерных частиц. Но лучше один раз увидеть, чем 100 раз услышать, и у специалистов это получилось. Теперь человечество точно знает, как выглядят атомы, формирующие нашу Вселенную.
Взгляни на атомы, прикоснись к молекуле
Аркадий Курамшин,
кандидат химических наук
«Химия и жизнь» №5, 2017
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.
Рис. 1. Изображение, с помощью которого компания IBM привлекла внимание к сканирующему туннельному микроскопу, — логотип компании, выложенный на никелевой поверхности атомами ксенона
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).
Рис. 2. Динамика увеличения количества научных публикаций, материал для которых получили с помощью атомно-силовой микроскопии
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 ).
Рис. 3. Визуализация молекулы пентацена, находящегося на подложке из меди, с помощью сканирующего туннельного микроскопа (а) и атомно-силового микроскопа (б). Видно, что переход от одного устройства к другому значительно увеличивает разрешение
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.
Рис. 4. Структуры молекулы гексабензакоронена (а) и псевдоизображение гексабензокоронена, локализованного на медной поверхности (б), полученные с помощью атомно-силовой микроскопии. Буква i обозначает связь С—С центрального кольца, а j — связь, соединяющую центральное кольцо с периферийными
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.
Рис. 5. Слева — структура цефаландола А, которую удалось определить с помощью АСМ. Справа — визуализация результатов исследования природного соединения с помощью атомно-силовой микроскопии
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.
Рис. 6. Сила взаимодействия зонда АСМ с различными атомами (а) и результаты исследования поверхности, содержащей разнородные атомы (б, в)
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 ).
Рис. 7. Изучение химической реакции (исходное вещество — 1,2-бис[(2-этинилфенил)этинил]бензол и продукты показаны в нижнем ряду) с помощью сканирующего туннельного (верхний ряд изображений) и атомно-силового (средний ряд изображений) микроскопов
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).
Рис. 8. С помощью сканирующего туннельного микроскопа удалось превратить одну таутомерную форму порфицена в другую
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.
Рис. 9. Полученные с помощью АСМ (нижний ряд) изображения продуктов обратимой реакции, запущенной посредством СТМ
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.
Рис. 10. Молекула триангулена (структура показана справа) под атомно-силовым микроскопом
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.