Эрдэмтэд атомыг анх удаа "амьд" байхыг харав - гэрэл зураг. Атом ба молекулууд Молекулуудын зураг эсвэл урлагийн объект

АНУ-ын физикчид бие даасан атомуудыг дээд зэргийн нарийвчлалтай гэрэл зурагт буулгаж чадсан гэж Vesti.ru сайтаас мэдээллээ.

АНУ-ын Корнеллийн их сургуулийн эрдэмтэд бие даасан атомуудыг дээд зэргийн нарийвчлалтай гэрэл зурагт буулгаж чаджээ - хагас ангстром (0.39 Å) хүртэл. Өмнөх гэрэл зургууд хагас нягтралтай байсан - 0.98 Å.

Атомыг харж чаддаг хүчирхэг электрон микроскопууд хагас зуун жилийн турш оршин тогтнож байгаа боловч тэдгээрийн нарийвчлал нь дундаж атомын диаметрээс том харагдах гэрлийн долгионы уртаар хязгаарлагддаг.

Тиймээс эрдэмтэд электрон микроскопоор дүрсийг төвлөрүүлж, томруулдаг линзний тодорхой аналогийг ашигладаг - энэ бол соронзон орон юм. Гэсэн хэдий ч соронзон орны хэлбэлзэл нь олж авсан үр дүнг гажуудуулдаг. Гажуудлыг арилгахын тулд соронзон орныг засах нэмэлт төхөөрөмжүүдийг ашигладаг боловч нэгэн зэрэг электрон микроскопын дизайны нарийн төвөгтэй байдлыг нэмэгдүүлдэг.

Өмнө нь Корнеллийн их сургуулийн физикчид электрон микроскопын пикселийн массив илрүүлэгч (EMPAD)-ийг бүтээсэн бөгөөд энэ нь тус бүр электронуудад мэдрэмтгий 128x128 пикселийн нарийвчлалтай нэг жижиг матрицад орж ирж буй электронуудыг төвлөрүүлдэг генераторуудын цогц системийг орлуулжээ. Пиксел бүр нь электроны тусгалын өнцгийг бүртгэдэг; Үүнийг мэдсэн эрдэмтэд птякографийн аргыг ашиглан электронуудын шинж чанарыг, тэр дундаа электрон ялгарсан цэгийн координатыг сэргээдэг.

Хамгийн өндөр нарийвчлалтай атомууд

David A. Muller et al. Байгаль, 2018 он.

2018 оны зун физикчид олж авсан зургийн чанарыг өнөөг хүртэл дээд хэмжээнд хүртэл сайжруулахаар шийджээ. Эрдэмтэд 2 хэмжээст материал болох молибдений сульфид MoS2-ийг хөдөлж буй цацрагт нааж, электрон туяаг электрон эх үүсвэр рүү өөр өөр өнцгөөр эргүүлэх замаар электрон цацрагуудыг асаасан байна. Эрдэмтэд EMPAD болон ptaycography ашиглан бие даасан молибдений атомуудын хоорондох зайг тодорхойлж, 0.39 Å-ийн дээд зэргийн нарийвчлалтай зургийг олж авсан.

Туршилтын зохиогчдын нэг Сол Грюнер "Бид үндсэндээ дэлхийн хамгийн жижиг захирагчийг бүтээсэн" гэж тайлбарлав. Үүссэн зурган дээр хүхрийн атомыг 0.39 Å-ийн дээд нарийвчлалтай ялгах боломжтой байв. Түүгээр ч барахгүй нэг атом дутуу байгааг (сумаар харуулсан) олж мэдэх боломжтой байв.

Бичлэгийн нягтрал дахь хүхрийн атомууд

Трурл атомуудыг барьж, тэднээс электроныг хусаж, зөвхөн хуруугаараа анивчих хүртэл протоныг зуурч, протоны зуурмаг бэлтгэж, электронуудыг тойруулан байрлуулж, дараагийн атомын хувьд; Тэр гартаа шижир алт барьтал таван минут ч өнгөрөөгүй байсан: тэр үүнийг ам руугаа өгөхөд тэр шүдэндээ блокыг оролдоод толгой дохин хэлэв.
- Энэ бол үнэхээр алт, гэхдээ би атомыг ингэж хөөж чадахгүй. Би хэтэрхий том байна.
- Зүгээр дээ, бид танд тусгай төхөөрөмж өгөх болно! - Трурл түүнийг ятгасан.

Станислав Лем, Кибериад

Микроскоп ашиглан атомыг харж, өөр атомаас ялгаж, химийн холбоо устаж, үүсэхийг ажиглаж, нэг молекул нөгөөд хэрхэн хувирч байгааг харах боломжтой юу? Тийм ээ, хэрэв энэ нь энгийн микроскоп биш, харин атомын хүч юм. Мөн та өөрийгөө ажиглалтаар хязгаарлах шаардлагагүй. Бид атомын хүчний микроскоп нь зөвхөн бичил ертөнц рүү нэвтрэх цонх байхаа больсон цаг үед амьдарч байна. Өнөөдөр энэ хэрэгслийг атомыг хөдөлгөж, химийн холбоог таслах, нэг молекулын суналтын хязгаарыг судлах, тэр байтугай хүний ​​геномыг судлахад ашиглаж болно.

Ксенон пикселээр хийсэн үсэг

Атомыг харах нь тийм ч хялбар байгаагүй. Цюрих дэх IBM судалгааны төвд ажиллаж байсан Герд Карл Бинниг, Генрих Рорер нар атомын нарийвчлалтайгаар гадаргууг судлах боломжийг олгодог багажийг бүтээж эхэлснээр атомын хүчний микроскопын түүх 1979 онд эхэлсэн. Ийм төхөөрөмжийг зохион бүтээхийн тулд судлаачид туннелийн эффект буюу электронуудын нэвтэршгүй мэт санагдах саадыг даван туулах чадварыг ашиглахаар шийджээ. Энэхүү санаа нь сканнердах датчик болон судалж буй гадаргуугийн хооронд үүссэн хонгилын гүйдлийн хүчийг хэмжих замаар дээж дэх атомуудын байрлалыг тодорхойлох явдал байв.

Бинниг, Рорер нар амжилтанд хүрч, тэд сканнерийн туннелийн микроскопыг (STM) зохион бүтээгчид болон 1986 онд Физикийн чиглэлээр Нобелийн шагнал хүртжээ. Сканнерийн хонгилын микроскоп нь физик, химийн салбарт жинхэнэ хувьсгал хийсэн.

1990 онд Калифорни дахь IBM судалгааны төвд ажиллаж байсан Дон Эйглер, Эрхард Швейтцер нар STM-ийг зөвхөн атомуудыг ажиглах төдийгүй тэдгээрийг удирдахад ашиглаж болохыг харуулсан. Сканнердах хонгилын микроскопын датчик ашиглан тэд химичүүд бие даасан атомуудтай ажиллах шилжилтийг бэлгэддэг хамгийн алдартай зургийг бүтээжээ - тэд 35 ксенон атом бүхий никель гадаргуу дээр гурван үсэг зурсан (Зураг 1).

Бинниг амжилтдаа тайвширсангүй - Нобелийн шагнал хүртсэн жил тэрээр IBM Цюрих судалгааны төвд ажиллаж байсан Кристофер Гербер, Келвин Куэйт нартай хамт бичил ертөнцийг судлах өөр төхөөрөмж дээр ажиллаж эхэлсэн бөгөөд сул талгүй байв. STM-д байдаг. Баримт нь сканнердах хонгилын микроскопын тусламжтайгаар диэлектрик гадаргууг судлах боломжгүй байсан бөгөөд зөвхөн дамжуулагч ба хагас дамжуулагчийг шинжлэхийн тулд тэдгээрийн болон микроскопын датчикийн хооронд ихээхэн вакуум үүсгэх шаардлагатай байв. Бинниг, Гербер, Куэйт нар шинэ төхөөрөмж бүтээх нь одоо байгаа төхөөрөмжийг шинэчлэхээс илүү хялбар гэдгийг ойлгосон тул атомын хүчний микроскоп буюу AFM-ийг зохион бүтээжээ. Түүний үйл ажиллагааны зарчим нь эрс ялгаатай: гадаргуугийн талаархи мэдээллийг олж авахын тулд тэд микроскопын датчик ба судалж буй дээжийн хооронд үүссэн одоогийн хүчийг биш харин тэдгээрийн хооронд үүссэн татах хүчний үнэ цэнийг хэмждэг. химийн бус харилцан үйлчлэл - ван дер Ваалсын хүч.

AFM-ийн анхны ажлын загвар нь харьцангуй энгийн байсан. Судлаачид алмазан датчикийг дээжийн гадаргуу дээгүүр хөдөлгөж, уян хатан микромеханик мэдрэгчтэй холбосон - алтан тугалган цаасаар хийсэн консол (зонд ба атомын хооронд таталцал үүсдэг, консол нь таталцлын хүчнээс хамаарч нугалж, пьезоэлектрикийг деформацид оруулдаг) . Консолын гулзайлтын зэргийг пьезоэлектрик мэдрэгч ашиглан тодорхойлсон - винил бичлэгийн ховил, нурууг аудио бичлэг болгон хувиргахтай ижил төстэй байдлаар. Атомын хүчний микроскопын загвар нь 10-18 Ньютон хүртэлх татах хүчийг илрүүлэх боломжийг олгосон. Ажлын прототипийг бүтээснээс хойш нэг жилийн дараа судлаачид 2.5 ангстромын нарийвчлалтай бал чулууны гадаргуугийн топографийн зургийг олж авч чадсан.

Түүнээс хойш өнгөрсөн гучин жилийн хугацаанд AFM нь бараг бүх химийн объектыг судлахад ашиглагдаж ирсэн - керамик материалын гадаргуугаас эхлээд амьд эсүүд болон бие даасан молекулууд, статик болон динамик төлөвт аль алинд нь. Атомын хүчний микроскоп нь химич, материал судлаачдын ажлын морь болсон бөгөөд энэ аргыг ашигласан судалгааны тоо байнга нэмэгдэж байна (Зураг 2).

Олон жилийн туршид судлаачид атомын хүчний микроскоп ашиглан объектыг контакт болон контактгүй судлах нөхцлийг сонгосон. Холбоо барих аргыг дээр дурдсан бөгөөд консол ба гадаргуугийн хоорондох ван дер Ваалсын харилцан үйлчлэлд суурилдаг. Холбоо барихгүй горимд ажиллах үед пьезовибратор нь датчикийн хэлбэлзлийг тодорхой давтамжтайгаар өдөөдөг (ихэнхдээ резонансын). Гадаргуугаас үзүүлэх хүч нь датчикийн хэлбэлзлийн далайц ба фазын аль алиныг нь өөрчлөхөд хүргэдэг. Холбоо барихгүй аргын зарим сул талуудыг үл харгалзан (ялангуяа гадны дуу чимээнд мэдрэмтгий) энэ нь судалж буй объектод датчикийн нөлөөллийг арилгадаг тул химичдэд илүү сонирхолтой байдаг.

Холболтыг эрэлхийлж, датчик дээр амьд

1998 онд Биннигийн шавь Франц Йозеф Гиссиблийн ажлын ачаар атомын хүчний бичил харуур нь контактгүй болсон. Тогтвортой давтамжтай кварцын лавлагаа осцилляторыг консол болгон ашиглахыг тэрээр санал болгосон хүн юм. 11 жилийн дараа Цюрих дэх IBM лабораторийн судлаачид контактгүй AFM-ийн өөр нэг өөрчлөлтийг хийв: мэдрэгчийн датчикийн үүргийг хурц алмаазан болор биш, харин нэг молекул - нүүрстөрөгчийн дутуу исэл гүйцэтгэсэн. Энэ нь IBM-ийн Цюрих хэлтсээс Лео Гросс үзүүлсэнчлэн субатын нарийвчлалд шилжих боломжтой болсон. 2009 онд AFM ашиглан тэрээр атомуудыг бус, химийн холбоог үзэгдэх болгож, пентацений молекулын хувьд нэлээд тодорхой, хоёрдмол утгагүй уншигдахуйц "зураг"-ыг олж авсан (Зураг 3; Шинжлэх ухаан, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).

Химийн холбоог AFM ашиглан харж болно гэдэгт итгэлтэй байсан Лео Гросс цаашаа явж, атомын хүчний микроскопоор бондын урт, дарааллыг хэмжихээр шийдсэн - химийн бүтэц, улмаар бодисын шинж чанарыг ойлгох гол үзүүлэлтүүд.

Бондын эрэмбийн ялгаа нь хоёр атомын хоорондох өөр өөр электрон нягт ба атом хоорондын зайг илтгэдэг гэдгийг санаарай (энгийнээр хэлбэл, давхар холбоо нь нэг холбооноос богино байдаг). Этан-д нүүрстөрөгч-нүүрстөрөгчийн бондын дараалал нэг, этилэнд хоёр, сонгодог ароматик молекул бензолд нүүрстөрөгч-нүүрстөрөгчийн холбоо нэгээс их боловч хоёроос бага байх ба 1.5 гэж үздэг.

Энгийн анхилуун үнэрт системээс хавтгай эсвэл бөөн поликонденсацласан цикл систем рүү шилжих үед бондын дарааллыг тодорхойлох нь илүү хэцүү байдаг. Тиймээс конденсацсан тав ба зургаан гишүүнтэй нүүрстөрөгчийн цагирагуудаас бүрдэх фуллерен дэх бондын дараалал нь нэгээс хоёр хүртэлх утгыг авч болно. Ижил тодорхойгүй байдал нь онолын хувьд полициклик үнэрт нэгдлүүдэд байдаг.

2012 онд Лео Гросс Фабиан Монтой хамт нүүрстөрөгчийн дутуу ислээр өөрчлөгдсөн контактгүй металл датчик бүхий атомын хүчний микроскоп нь атомын цэнэгийн тархалт ба атом хоорондын зай, өөрөөр хэлбэл бондын дараалалтай холбоотой параметрүүдийг хэмжиж болохыг харуулсан. Шинжлэх ухаан, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).

Үүнийг хийхийн тулд тэд фуллерений хоёр төрлийн химийн холбоог судалсан бөгөөд энэ нь C60 фуллерений зургаан гишүүнтэй нүүрстөрөгч агуулсан хоёр цагирагт нийтлэг байдаг нүүрстөрөгч-нүүрстөрөгчийн холбоо, тав ба зургаа дахь нийтлэг нүүрстөрөгч-нүүрстөрөгчийн холбоо юм. - гишүүнтэй бөгж. Зургаан гишүүнтэй цагирагуудын конденсаци нь C 6 ба C 5 циклийн фрагментуудын конденсацаас богино бөгөөд илүү дараалалтай холбоо үүсгэдэг болохыг атомын хүчний микроскоп харуулсан. Төв C 6 цагирагны эргэн тойронд өөр зургаан C 6 цагираг тэгш хэмтэй байрладаг гексабензокоронане дахь химийн бондын шинж чанарыг судлах нь квант химийн загварчлалын үр дүнг баталгаажуулсан бөгөөд үүний дагуу төв цагирагийн C-C бондын дараалал (д. Зураг 4, үсэг би) энэ цагиргийг захын мөчлөгтэй холбосон холбоосоос их байх ёстой (4-р зурагт үсэг j). Зургаан гишүүнтэй есөн цагираг агуулсан илүү төвөгтэй полициклик үнэрт нүүрсустөрөгчийн хувьд ижил төстэй үр дүнг олж авсан.

Бондын дараалал ба атом хоорондын зай нь мэдээж органик химичүүдийн сонирхлыг татсан боловч химийн бондын онолыг судалж, урвалд орох чадварыг урьдчилан таамаглаж, химийн урвалын механизмыг судалдаг хүмүүст илүү чухал байсан. Гэсэн хэдий ч синтетик химич, байгалийн нэгдлүүдийн бүтцийг судалж буй мэргэжилтнүүд хоёулаа гайхшрал төрүүлэв: атомын хүчний микроскоп нь молекулын бүтцийг NMR эсвэл IR спектроскопийн нэгэн адил тодорхойлоход ашиглаж болно. Түүгээр ч зогсохгүй эдгээр аргуудыг шийдвэрлэх боломжгүй асуултуудад тодорхой хариулт өгдөг.

Гэрэл зурагнаас кино урлаг хүртэл

2010 онд ижил Лео Гросс, Райнер Эбель нар нянгаас тусгаарлагдсан байгалийн нэгдэл болох цефаландол А-ийн бүтцийг хоёрдмол утгагүйгээр тогтоож чадсан. Dermacoccus abyssi(Байгалийн хими, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Цефаландол А-ийн найрлагыг өмнө нь масс спектрометрийн тусламжтайгаар тогтоосон боловч энэ нэгдлийн NMR спектрийн шинжилгээ нь түүний бүтцийн талаархи асуултанд тодорхой хариулт өгөөгүй: дөрвөн хувилбар боломжтой байв. Судлаачид атомын хүчний микроскоп ашиглан дөрвөн бүтцийн хоёрыг нь нэн даруй устгаж, AFM болон квант химийн загварчлалын тусламжтайгаар олж авсан үр дүнг харьцуулж, үлдсэн хоёрыг нь зөв сонгосон байна. Даалгавар нь хэцүү болж хувирав: пентацен, фуллерен, короненуудаас ялгаатай нь цефаландол А нь зөвхөн нүүрстөрөгч, устөрөгчийн атомыг агуулдаггүй, үүнээс гадна энэ молекул нь тэгш хэмийн хавтгайтай байдаггүй (Зураг 5) - гэхдээ энэ асуудлыг бас шийдсэн.

Тухайн үед Осакагийн их сургуулийн инженерийн сургуульд ажиллаж байсан Оскар Кустанзагийн бүлэгт атомын хүчний микроскопыг аналитик хэрэгсэл болгон ашиглах боломжтой гэсэн нэмэлт нотолгоог олж авав. Тэрээр бие биенээсээ нүүрстөрөгч, устөрөгчөөс хамаагүй бага ялгаатай атомуудыг ялгахад AFM-ийг хэрхэн ашиглахыг харуулсан ( Байгаль, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанцууд элемент бүрийн тодорхой агуулга бүхий цахиур, цагаан тугалга, хар тугалга зэргээс бүрдсэн хайлшийн гадаргууг судалжээ. Олон тооны туршилтуудын үр дүнд тэрээр AFM датчикийн үзүүр болон өөр өөр атомуудын хооронд үүссэн хүч ялгаатай болохыг олж мэдсэн (Зураг 6). Жишээлбэл, цахиурыг шалгах үед хамгийн хүчтэй харилцан үйлчлэл, хар тугалга шалгах үед хамгийн сул харилцан үйлчлэл ажиглагдсан.

Ирээдүйд бие даасан атомуудыг таних атомын хүчний микроскопийн үр дүнг харьцангуй утгыг харьцуулах замаар NMR-ийн үр дүнтэй ижил аргаар боловсруулна гэж таамаглаж байна. Мэдрэгчийн үзүүрийн нарийн найрлагыг хянахад хэцүү байдаг тул мэдрэгч ба янз бүрийн гадаргуугийн атомуудын хоорондох хүчний үнэмлэхүй утга нь туршилтын нөхцөл, төхөөрөмжийн брэндээс хамаардаг боловч эдгээр хүчний харьцаа нь ямар ч бүтэц, хэлбэрийн хувьд хамаарна. мэдрэгч нь химийн элемент бүрийн хувьд тогтмол хэвээр байна.

2013 онд химийн урвалын өмнө болон дараа нь бие даасан молекулуудын зургийг авахын тулд AFM ашиглах анхны жишээнүүд гарч ирэв: урвалын бүтээгдэхүүн ба завсрын бүтээгдэхүүний "фотосет" үүссэн бөгөөд үүнийг дараа нь нэгэн төрлийн баримтат кино болгон засварлаж болно ( Шинжлэх ухаан, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187 ).

Беркли дэх Калифорнийн их сургуулийн Феликс Фишер, Майкл Кромми нар гадаргуу дээр мөнгө түрхэв 1,2-бис[(2-этинилфенил)этинил]бензол, молекулуудыг дүрсэлж, циклжилтийг эхлүүлэхийн тулд гадаргууг халаав. Анхны молекулуудын тал хувь нь нийлсэн таван зургаан гишүүн, хоёр таван гишүүнтэй цагиргуудаас бүрдсэн полициклик үнэрт бүтэц болж хувирав. Молекулуудын өөр нэг дөрөвний нэг нь дөрвөн гишүүнтэй нэг цагираг, хоёр таван гишүүнтэй цагирагуудаар холбогдсон дөрвөн зургаан гишүүнтэй цагирагуудаас бүрдсэн бүтцийг бий болгосон (Зураг 7). Үлдсэн бүтээгдэхүүн нь олигомер бүтэц, бага хэмжээгээр полициклик изомерууд байв.

Эдгээр үр дүн судлаачдыг хоёр удаа гайхшруулсан. Нэгдүгээрт, урвалын явцад зөвхөн хоёр үндсэн бүтээгдэхүүн үүссэн. Хоёрдугаарт, тэдний бүтэц гайхалтай байсан. Химийн зөн совин, туршлага нь олон арван урвалын бүтээгдэхүүнийг зурах боломжийг олгосон боловч тэдгээрийн аль нь ч гадаргуу дээр үүссэн нэгдлүүдэд тохирохгүй байсан гэж Фишер тэмдэглэв. Хэвийн бус химийн процесс үүсэх нь эхлэлийн бодисуудын субстраттай харилцан үйлчлэлцэх замаар хөнгөвчилсөн байж магадгүй юм.

Мэдээжийн хэрэг, химийн холбоог судлах анхны ноцтой амжилтын дараа зарим судлаачид AFM-ийг сул, бага судлагдсан молекул хоорондын харилцан үйлчлэл, ялангуяа устөрөгчийн холбоог ажиглахаар шийдсэн. Гэтэл энэ чиглэлийн ажил дөнгөж эхэлж байгаа бөгөөд үр дүн нь зөрчилтэй байна. Тиймээс зарим хэвлэлд атомын хүчний микроскоп нь устөрөгчийн холбоог ажиглах боломжтой болсон гэж мэдээлсэн. Шинжлэх ухаан, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), бусад нь төхөөрөмжийн дизайны онцлогоос шалтгаалан эдгээр нь зүгээр л олдворууд бөгөөд туршилтын үр дүнг илүү анхааралтай тайлбарлах шаардлагатай гэж маргадаг ( Физик тойм захидал, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Атомын хүчний микроскоп ашиглан устөрөгч болон бусад молекул хоорондын харилцан үйлчлэлийг ажиглаж болох уу гэсэн асуултын эцсийн хариултыг энэ арван жилд аль хэдийн олж авах болно. Үүнийг хийхийн тулд AFM нягтралыг дор хаяж хэд дахин нэмэгдүүлж, хөндлөнгийн оролцоогүйгээр зураг авч сурах шаардлагатай байна ( Биеийн үзлэг Б, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).

Нэг молекулын синтез

Чадварлаг гарт STM болон AFM хоёулаа бодисыг судлах чадвартай төхөөрөмжөөс бодисын бүтцийг зориудаар өөрчлөх чадвартай төхөөрөмж болж хувирдаг. Эдгээр төхөөрөмжүүдийн тусламжтайгаар колбоны оронд субстрат ашигладаг, урвалж буй бодисын моль эсвэл миллимолын оронд бие даасан молекулуудыг ашигладаг "хамгийн жижиг химийн лаборатори" -ийг олж авах боломжтой болсон.

Жишээлбэл, 2016 онд Такаши Кумагай тэргүүтэй олон улсын эрдэмтдийн баг порфицений молекулыг нэг хэлбэрээс нөгөө хэлбэрт шилжүүлэхийн тулд контактгүй атомын хүчний микроскопийг ашигласан. Байгалийн хими, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфиценийг порфирины өөрчлөлт гэж үзэж болох бөгөөд түүний дотоод цагираг нь дөрвөн азотын атом, хоёр устөрөгчийн атом агуулдаг. AFM датчикийн чичиргээ нь эдгээр устөрөгчийг нэг азотын атомаас нөгөөд шилжүүлэхэд хангалттай энергийг порфицений молекулд шилжүүлсэн бөгөөд үр дүнд нь энэ молекулын "толин тусгал дүрс" гарч ирэв (Зураг 8).

Ядаршгүй Лео Гроссоор ахлуулсан баг мөн нэг молекулын урвалыг эхлүүлэх боломжтой гэдгийг харуулсан - тэд дибромомантраценийг арван гишүүнтэй циклик дийне болгон хувиргасан (Зураг 9; Байгалийн хими, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Кумагай нараас ялгаатай нь тэд молекулыг идэвхжүүлэхийн тулд сканнердах хонгилын микроскоп ашигласан бөгөөд урвалын үр дүнг атомын хүчний микроскоп ашиглан хянаж байв.

Сканнердах туннелийн микроскоп ба атомын хүчний микроскопыг хослуулан ашигласнаар сонгодог арга, аргуудыг ашиглан синтез хийх боломжгүй молекулыг олж авах боломжтой болсон ( Байгалийн нанотехнологи, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Энэ нь 60 жилийн өмнө оршин тогтнохыг урьдчилан таамаглаж байсан тогтворгүй үнэрт дирадикал болох гурвалжин бөгөөд синтез хийх бүх оролдлого бүтэлгүйтсэн (Зураг 10). Нико Павличекийн бүлгийн химичүүд STM ашиглан түүний өмнөх хоёр устөрөгчийн атомыг салгаж, AFM ашиглан синтетик үр дүнг баталгаажуулснаар хүссэн нэгдлүүдийг олж авсан.

Органик химийн шинжлэх ухаанд атомын хүчний микроскопыг ашиглахад зориулсан бүтээлийн тоо цаашид ч нэмэгдэх төлөвтэй байна. Одоогийн байдлаар улам олон эрдэмтэд "уусмалын хими"-д сайн мэддэг гадаргуугийн урвалыг хуулбарлахыг оролдож байна. Гэхдээ синтетик химичүүд AFM ашиглан гадаргуу дээр анх хийж байсан урвалуудыг уусмалаар гаргаж эхлэх байх.

Амьд бусаас амьд хүртэл

Атомын хүчний микроскопын консол ба датчикийг зөвхөн аналитик судалгаа эсвэл чамин молекулуудын нийлэгжилтэд ашиглахаас гадна хэрэглээний асуудлыг шийдвэрлэхэд ашиглаж болно. AFM-ийг анагаах ухаанд, жишээлбэл, хорт хавдрыг эрт оношлоход ашигладаг тохиолдол аль хэдийн мэдэгдэж байсан бөгөөд энд анхдагч нь атомын хүчний микроскопийн зарчмыг боловсруулж, AFM бүтээхэд гар бие оролцсон Кристофер Гербер юм.

Ийнхүү Гербер AFM-д меланома дахь рибонуклеины хүчлийн цэгийн мутацийг илрүүлэхийг зааж өгч чадсан (биопсийн үр дүнд олж авсан материал дээр). Үүнийг хийхийн тулд атомын хүчний микроскопын алтан консолыг РНХ-тэй молекул хоорондын харилцан үйлчлэлд орох боломжтой олигонуклеотидуудаар өөрчилсөн бөгөөд пьезоэлектрик эффектийн улмаас энэхүү харилцан үйлчлэлийн хүчийг мөн хэмжиж болно. AFM мэдрэгчийн мэдрэмж маш өндөр тул тэд үүнийг геном засварлах алдартай CRISPR-Cas9 аргын үр нөлөөг судлахад аль хэдийн ашиглахыг оролдож байна. Янз бүрийн үеийн судлаачдын бүтээсэн технологиуд энд нэгддэг.

Улс төрийн онолуудын аль нэгнийх нь сонгодог хувилбарыг тайлбарлахын тулд бид атомын хүчний микроскопийн хязгааргүй боломж, шавхагдашгүй байдлыг аль хэдийн харж байгаа бөгөөд эдгээр технологийн цаашдын хөгжилд юу хүлээж байгааг төсөөлөхийн аргагүй гэж хэлж болно. Гэвч өнөөдөр сканнердсан хонгилын микроскоп болон атомын хүчний микроскопууд атомыг харж, хүрэх боломжийг бидэнд олгож байна. Энэ нь атом, молекулуудын бичил ертөнцийг харах боломжийг олгодог бидний нүдний өргөтгөл төдийгүй энэхүү бичил ертөнцийг барьж, хянах чадвартай шинэ нүд, шинэ хуруунууд гэж бид хэлж чадна.

Эрдэмтэд дэлхийд анх удаа молекулын холбоог өөрчлөх явцад нэг атомын нягтралын үед молекулын харааны дүрсийг олж авах боломжтой болсон. Үүссэн зураг нь химийн сурах бичгүүдийн зургуудтай гайхалтай төстэй байв.

Өнөөг хүртэл эрдэмтэд молекулын бүтцийн талаар зөвхөн таамаглалаар дүгнэлт хийж чаддаг байсан. Харин шинэ технологийн тусламжтайгаар энэ молекул дахь 26 нүүрстөрөгчийн атом, 14 устөрөгчийн атомыг холбосон тус бүр нь хэдэн арван сая миллиметр урттай атомын холбоо тодорхой харагдаж байна. Энэхүү судалгааны үр дүнг 5-р сарын 30-нд Science сэтгүүлд нийтлэв.

Туршилтын баг эхэндээ нүүрстөрөгчийн атомуудыг зургаан өнцөгт хэлбэрээр байрлуулсан нэг давхаргат атомын материал болох графенаас нано бүтцийг нарийн угсрах зорилготой байв. Нүүрстөрөгчийн зөгийн сархинагийг бий болгохын тулд шугаман гинжээс атомуудыг зургаан өнцөгт сүлжээ болгон өөрчлөх шаардлагатай; Энэ урвал нь хэд хэдэн өөр молекул үүсгэж болно. Берклигийн химич Феликс Фишер болон түүний хамтрагчид бүх зүйлийг зөв хийж байгаа эсэхийг шалгахын тулд молекулуудыг дүрслэн харуулахыг хүссэн.

Зураг дээрх нүүрстөрөгч агуулсан молекулыг хамгийн түгээмэл урвалын хоёр бүтээгдэхүүнийг оруулахын тулд дахин зохион байгуулахаас өмнө болон дараа нь харуулав. Зургийн масштаб - 3 ангстром буюу метрийн арван тэрбумын 3

Графены жорыг баримтжуулахын тулд Фишерд маш хүчирхэг оптик хэрэгсэл хэрэгтэй байсан бөгөөд тэрээр Берклигийн их сургуулийн лабораторид байрладаг атомын микроскопыг ашигласан. Холбоо барихгүй атомын микроскопууд нь молекулуудын үүсгэсэн цахилгаан хүчийг уншихын тулд маш мэдрэмтгий үзүүрийг ашигладаг; Зүүний үзүүр молекулын гадаргуугийн дагуу хөдөлж байх үед өөр өөр цэнэгүүдээр хазайж, атомууд хэрхэн байрлаж, тэдгээрийн хоорондын холбоог харуулсан дүр төрхийг бий болгодог.

Түүний тусламжтайгаар судлаачдын баг зөвхөн нүүрстөрөгчийн атомуудыг төсөөлөөд зогсохгүй тэдгээрийн хоорондын электронуудын үүсгэсэн холбоог ч харж чаджээ. Тэд мөнгөн гадаргуу дээр цагираг хэлбэртэй молекулыг байрлуулж, халааж, молекул хэлбэрээ өөрчилсөн. Дараагийн хөргөлт нь урвалын бүтээгдэхүүнийг засч чадсан бөгөөд тэдгээрийн дотор эрдэмтдийн хүлээж байсан гурван гэнэтийн бүрэлдэхүүн хэсэг, нэг молекул байсан.

молекулын физикийн бусад илтгэлүүд

“Цөмийн холболтын энерги” - 50-аас 60 хүртэлх масстай элементүүд нь хамгийн их холболтын энергитэй (8.6 МэВ/нуклон) - Массын согог. Кулоны хүч нь цөмийг задлах хандлагатай байдаг. Гадаргуу дээрх нуклонуудын холбох энерги нь цөм доторх нуклонуудаас бага байдаг. Uchim.net. Атомын цөмийн холболтын энерги. Тусгай холбох энерги. Эйнштейний масс ба энергийн тэгшитгэл:

"Атомын цөмийн бүтэц" - Гейгерийн эсрэг үүлний камер. Радиум (цацраг). Цацраг идэвхт цацрагийн хэрэглээ. Мари Склодовска-Кюри, Пьер Кюри нар. Беккерел Антуан Анри - 1897 он Термоядролын нэгдэл гэдэг нь хөнгөн цөмийн нэгдэх урвал юм. M - массын тоо - цөмийн масс, нуклонуудын тоо, нейтроны тоо M-Z. Полониум. Цөмийн гинжин урвал.

"Фотоэффект хэрэглэх" - Төрийн боловсролын байгууллага NPO 15-р мэргэжлийн лицей. Фотоэлектрик эффектийн нээлт, судалгааны түүх. Гүйцэтгэсэн: физикийн багш Марина Викторовна Варламова. Фотоэлектрик эффектийн Эйнштейний тэгшитгэл A. Эйнштейн. Фотоэлектрик эффектийн ажиглалт. Столетов А.Г. Ханалтын гүйдлийн хүч нь катодын цацрагийн эрчтэй пропорциональ байна.

“Атомын цөмийн бүтэц” - A. 10 -12. Атомын цөмийн цацраг идэвхт хувирал. Үүний үр дүнд цацраг нь эерэг, сөрөг, төвийг сахисан хэсгүүдийн урсгалаас бүрдэнэ. 13 - 15. 1896 Анри Беккерел (Франц) цацраг идэвхт байдлын үзэгдлийг нээсэн. - гэж тэмдэглэсэн, масстай юу? 1 цаг ба цэнэг нь электроны цэнэгтэй тэнцүү байна. 5. Атом нь төвийг сахисан учраас цөмийн цэнэг нь электронуудын нийт цэнэгтэй тэнцүү байна.

"Атомын цөмийн найрлага" - Массын тоо. ЦӨМИЙН ХҮЧ - цөм дэх протон ба нейтроныг холбодог татах хүч. Цөмийн хүч. Үндсэн тэмдэглэгээний ерөнхий дүр төрх. Цэнэглэх дугаар. Цэнэгийн тоо нь энгийн цахилгаан цэнэгээр илэрхийлэгдсэн цөмийн цэнэгтэй тэнцүү байна. Цэнэгийн тоо нь химийн элементийн атомын дугаартай тэнцүү байна. Кулоны хүчнээс хэд дахин их.

“Сийвэнгийн синтез” - Барилгын хугацаа 8-10 жил. Анхаарал тавьсанд баярлалаа. ITER-ийн барилга байгууламж, дэд бүтэц. TOKAMAK-ийг бий болгох. ITER дизайны параметрүүд. ITER (ITER) үүсгэсэн. 5. Ойролцоогоор 5 тэрбум еврогийн өртөгтэй. Термоядролын зэвсэг. ITER реакторт Оросын оруулсан хувь нэмэр. 2. Термоядролын энергийн давуу тал. Эрчим хүчний хэрэгцээ.