Fotografija jedra atoma. Vizualno opazovanje atomov pod mikroskopom

Fotografija je bila posneta z enim od najnovejše tehnologije– poseben vrstični elektronski mikroskop. S to napravo je bil fotografiran ločen atom vanadija skupaj z atomom vodika.
Premer vodikovega atoma je ena desetmilijardinka metra. Prej je veljalo, da je fotografiranje sodobno opremo skoraj nemogoče. Vodik je najpogostejša snov. Njegov delež v celotnem vesolju je približno 90%.

Po mnenju znanstvenikov je mogoče na enak način ujeti tudi druge osnovne delce. "Zdaj lahko vidimo vse atome, ki sestavljajo naš svet," je dejal profesor Yuichi Ikuhara. "To je preboj v nove oblike proizvodnje, ko bo v prihodnosti mogoče sprejemati odločitve na ravni posameznih atomov in molekul."

Atom vodika, relativne barve
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Skupina znanstvenikov iz Nemčije, Grčije, Nizozemske, ZDA in Francije je posnela atom vodika. Te slike, pridobljene s fotoionizacijskim mikroskopom, prikazujejo porazdelitev elektronske gostote, ki je popolnoma skladna z rezultati teoretičnih izračunov. Delo mednarodne ekipe je predstavljeno na straneh Physical Review Letters.

Bistvo fotoionizacijske metode je sekvenčna ionizacija vodikovih atomov, to je odstranitev elektrona iz njih zaradi elektromagnetnega obsevanja. Ločeni elektroni so usmerjeni v občutljivo matriko skozi pozitivno nabit obroč, položaj elektrona v trenutku trka z matriko pa odraža položaj elektrona v trenutku ionizacije atoma. Naelektreni obroč, ki odbija elektrone vstran, deluje kot leča in z njegovo pomočjo se slika milijonkrat poveča.

Ta metoda, opisana leta 2004, je bila že uporabljena za "fotografiranje" posameznih molekul, vendar so fiziki šli dlje in uporabili fotoionizacijski mikroskop za preučevanje vodikovih atomov. Ker udarec enega elektrona povzroči samo eno točko, so raziskovalci nabrali približno 20 tisoč posameznih elektronov iz različnih atomov in sestavili povprečno sliko elektronskih lupin.

V skladu z zakoni kvantna mehanika, elektron v atomu sam po sebi nima posebnega položaja. Šele ko atom deluje z zunanje okolje se elektron s takšno ali drugačno verjetnostjo pojavi v določeni okolici atomskega jedra: območje, v katerem je verjetnost zaznave elektrona največja, se imenuje elektronska lupina. Nove slike prikazujejo razlike med atomi različnih energijskih stanj; znanstveniki so lahko jasno prikazali obliko napovedanega kvantna mehanika elektronske lupine.

S pomočjo drugih naprav, vrstičnih tunelskih mikroskopov, lahko posamezne atome ne le vidimo, temveč tudi premaknemo na želeno mesto. Pred približno mesecem dni je ta tehnika IBM-ovim inženirjem omogočila, da narišejo risanko, katere vsak okvir je sestavljen iz atomov: takšni umetniški poskusi nimajo praktičnega učinka, vendar dokazujejo temeljno možnost manipulacije z atomi. Za uporabne namene se ne uporablja več atomsko sestavljanje, ampak kemični procesi s samoorganizacijo nanostruktur ali samoomejevanjem rasti monoatomskih plasti na substratu.

Mikroskop je verjetno najbolj priročno orodje za opazovanje gradnikov vesolja. Sprva so bili mikroskopi optični sistemi, v katerih je bila povečava dosežena z uporabo leč, ki so fokusirale svetlobne žarke, ki so se odbijali od proučevanega vzorca ali prehajali skozenj.

Nato so se z razvojem tehnologije optični mikroskopi umaknili elektronskim analogom, kjer se namesto svetlobnih valov uporabljajo usmerjeni tokovi elektronov. Tako kot svetlobni kvanti se absorbirajo ali razpršijo različne snovi in materialov, vendar omogočajo doseganje veliko večje povečave kot pri optičnih mikroskopih. To je posledica pojava uklona svetlobe, "upogibanja" elektromagnetni valovi ovire, zaradi česar v optičnih napravah ne moremo videti predmetov, manjših od približno 300 nm - ta velikost ustreza ultravijoličnemu robu vidna svetloba. Tudi elektroni so valovi (tako kot delci), vendar je njihova valovna dolžina veliko krajša.

Trenutno obstaja veliko mikroskopskih metod, ki omogočajo raziskave v nanometrskem območju - vrstična tunelska mikroskopija, mikroskopija na atomsko silo itd.

Največjo povečavo in ločljivost danes je mogoče doseči s tehnologijo prenosa visoke ločljivosti ali transmisijske elektronske mikroskopije (TEM).

Vključuje prehajanje fokusiranega elektronskega žarka skozi tanek vzorec. Ta vzorec je lahko kristalit nano velikosti anorganske snovi, ogljikove nanocevke, fulereni in tako naprej. Z transmisijskim mikroskopom in matematičnim aparatom za pretvorbo signala lahko vidite posamezne atome, ki tvorijo kristalna mreža prosojen trdna, izračunajte njegove parametre itd. Zdi se, o čem še lahko sanjajo fiziki in kemiki? Dejansko TEM še vedno ostaja največje sanje za zaposlene v številnih domačih izobraževalnih in znanstvenih ustanovah: cena ene takšne naprave je primerljiva s ceno bojnega letala.

Kljub temu taka naprava ni vsemogočna, tudi z ločljivostjo delčka nanometra se v njej ne vidi vsakega atoma.

Dejstvo je, da lahki atomi, kot so ogljik, kisik, dušik in še bolj vodik, ki imajo majhno število elektronov, zelo šibko razpršijo tok elektronov. V ozadju signala iz prevodnega substrata, na katerem leži vzorec, in šuma detektorja postane signal iz teh atomov popolnoma neviden. Zato se je transmisijska elektronska mikroskopija do nedavnega v veliki večini primerov uporabljala za preučevanje strukture anorganskih materialov, sestavljenih iz težkih in z elektroni bogatih atomov. Medtem so dušik, vodik, kisik in ogljik hranila vključeno v vse organske spojine, zato so za znanstvenike morda bolj zanimivi kot vsi anorganski materiali skupaj.

Prilagodite TEM za preučevanje predmetov organske narave dovoljeno že osvojil slavo karbonski material grafen. Tanka atomsko debela ogljikova plošča grafena se je izkazala za odličen substrat za spojine lahkih atomov za preučevanje le-teh pri prenosu z elektronskim žarkom.

To odkritje je bilo večinoma naključno. Yannick Meyer, del skupine profesorja Alexa Zettla na kalifornijski univerzi Berkeley, zdaj pa dela na univerzi nemško mesto Ulm je preučeval same grafenske plošče, poskušal izbrati parametre snemanja in prilagoditi razmerje med signalom in šumom svojega mikroskopa na najboljši možen način.

V nekem trenutku se mu je zazdelo, da "hrup", ki se ga ni mogel znebiti, ni nič drugega kot lahki ogljikovi atomi na površini grafena.

Izkazalo se je, da je grafen, ki ima najmanjšo možno debelino v kombinaciji s fenomenalnim elektronska prevodnost, daje zelo nizka raven hrup in lastnosti trdnosti tega materiala mu omogočajo, da zdrži bombardiranje z elektronskim žarkom več ur.

skupina znanstvenikov je bila objavljena v reviji Nature.

Ali so se molekule organskih spojin znašle v komori Meyerjevega transmisijskega mikroskopa po naključju ali pa so tam prisotne vedno in za vse, je zdaj težko reči. Kljub temu je Meyer nedvomno prvi, ki je lahko opazoval dinamiko njihovega gibanja na površini grafena. Kakšne možnosti odpira? nova tehnika

transmisijska mikroskopija, ki so jo razvili znanstveniki z Berkeleyja? Glavna stvar je, da je zdaj mogoče z lastnimi očmi opazovati preprosto in zapleteno organske molekule

neposredno z uporabo mikroskopa, namesto da bi jih "sondirali" z metodami jedrske magnetne resonance in rentgenske difrakcije. Poleg tega po besedah ​​Zettla , je zdaj mogoče opazovati interakcijo teh molekul na površini in s površino v dinamiki. Prej so morali znanstveniki analizirati sestavo produktov in intermediatov med reakcijo in nato zgraditi kompleksne kinetične modele verižne reakcije

vzpostaviti njihov mehanizem, potem se bodo v prihodnosti lahko omejili na preprosto opazovanje molekul medsebojno delujočih snovi neposredno; Na srečo vam TEM omogoča opazovanje tako imenovane "žive" slike.

Seveda tako rožnati obeti še ne morejo izključiti več zelo pomembnih "ampak". Prvič, preučevanje strukture organskih spojin, adsorbiranih na površini, mora upoštevati dejstvo, da se lahko konformacija številnih molekul med takšno adsorpcijsko interakcijo bistveno spremeni. O vplivu konformacije molekule na potek reakcij, zlasti ko gre za naravne spojine, Gazeta.Ru napisal

v ponedeljek. Drugič, če je predmet študija preučevanje interakcije organske snovi s površino trdnega telesa - naloga, ki je zelo pomembna pri, - grafen ni preveč zanimiv, saj je s strukturnega in kemijskega vidika zelo preprost, da ne rečem primitiven. Toda sintetizirati več atomov debele substrate iz spojin, ki so bolj zanimive s katalitičnega ali strukturnega vidika, je v mnogih primerih preprosto nemogoča naloga.

Opazovanje lahkih spojin s pomočjo TEM predstavlja tudi številne čisto tehnične težave. Vendar, kot kažejo izkušnje razvoja znanosti in tehnologije zadnja leta, bodo znanstveniki zagotovo našli način, kako se izvleči tudi iz tega primera.

0,6 angstroma. To je trenutni rekord v ločljivosti v elektronski mikroskopiji. Skupina ameriških znanstvenikov je dobila čudovite slike posameznih atomov lantana, pritrjenih na plasti silicijevega nitrida. Titanski napori, ki so bili potrebni za ustvarjanje tega čudeža, so ostali v ozadju.

Leta 1959 Richard Feynman, svetovno znan Ameriški fizik, je prvi napovedal nastanek nanotehnologije in tako rekoč nanoznanosti. Potem je rekel, da bo ta znanost zaživela, ko se bo ločljivost elektronskih mikroskopov stokrat povečala. Ta vzlet je trajal 45 let.

Rekord je postavil oddelek za znanost o kondenzirani snovi skupine za elektronsko mikroskopijo ameriškega nacionalnega laboratorija Oak Ridge (ORNL).

Pravzaprav je bila letvica postavljena lani in o tem sva se na kratko pogovorila. Res je, potem so znanstveniki pogledali druge elemente. In od takrat smo izvedli veliko novih poskusov. Ni važno. Zanimivo je še to: izbrskali smo podrobnosti "zakulisja" rekordnega dosežka. Ali želite vedeti, koliko je teh 0,6 angstromov vrednih?

Vodja skupine Steve Pennycook in njegovi sodelavci znanstvenikom pomagajo preučevati materiale na atomski ravni, njihovo obnašanje v različnih pogojih, predvsem pa interakcijo različnih snovi.

Toda to, kar so naredili, je neverjetno. Vzeli so mikroskopski košček silicijevega nitrida, ga prekrili z atomsko plastjo lantana, uspeli zarezati v to »pito« in jo fotografirali s svojim ostrookim instrumentom.

Instrument je tako imenovani Z-kontrastni vrstični transmisijski elektronski mikroskop s korekcijo aberacije (uf, ne bomo več rekli), nameščen s popolno izolacijo od vibracij, akustičnih in magnetnih polj v razmeroma nedavno zgrajeni stavbi ORNL Advanced. Laboratorij za mikroskopijo.

"Z-kontrast" pomeni, da se ta naprava odziva na atomsko število elementa in jasno poudari težke atome na ozadju lahkih.

Znanstveniki, inženirji in industrijalci so leta 1988 razvili prvi elektronski mikroskop z kontrastom Z, mimogrede, z neposrednim sodelovanjem Pennycooka. Leta 2001 je elektronska mikroskopija dosegla ločljivost 0,8 angstroma. Da bi naredili korak proti 0,6 angstroma, so morali fiziki skočiti čez glavo.

Tam so bili sprejeti vsi ukrepi za zmanjšanje prodiranja zunanjih magnetnih polj na raven pod 0,3 miligausa, torej na raven, tisočkrat manjšo od sile magnetno polje Zemlja, ki je sposobna le odkloniti iglo kompasa, ki visi na igli.

Kakšen prah je tam. Lahko si predstavljate, da se okno, ki se odpre nekje v bližini naprave, ali kihanje zaposlenega lahko odnese nastavitve - ciljamo na posamezne atome! Zato se mikroskop upravlja na daljavo iz nadzorne sobe.

Vsi ti triki skupini Pennycook omogočili, da v zadnjem času veliko odkritij o obnašanju superprevodnikov in strukturnih materialov.

Samo en primer: z dobesednim opazovanjem atoma za atomom, kako se različni elementi vrstijo drug poleg drugega, so znanstveniki odkrili skrivnost krhkosti lopatic turbin letalskih motorjev, prevlečenih z neko zapleteno, trpežno spojino.

Koliko lahko novi materiali dajo državi in ​​na splošno razumevanja medsebojnega delovanja snovi, presodite sami.

Atomi so zelo majhni, zelo, zelo majhni. Verjetno veste, da je snov sestavljena iz njih, vendar jih nikoli niste videli in jih nikoli ne boste videli, saj atoma ni mogoče videti s prostim (in včasih tudi dobro oboroženim) očesom. Ali naj verjamemo na besedo, da je vse na našem svetu zgrajeno iz teh drobnih »opek«?

Stroški. Tudi najbolj skeptični ljudje ne bodo mogli dvomiti obstoječih dokazov. Kako so torej znanstveniki odkrili atome za znanost? In kar je še pomembneje, kako so lahko dokazali obstoj teh drobnih delcev?

V čem je težava?

Zdi se, da je lažje kot gledati atome skozi mikroskop. Vendar ni vse tako elementarno kot delci sami. Tudi najmočnejši mikroskop ne more razločiti niti enega atoma. To je zato, ker je velikost atoma veliko manjša od velikosti svetlobnega vala in se svetloba preprosto ne more odbiti od drobnih delcev, zaradi česar postanejo nevidni tudi s prostim očesom.

Zgodovina odkritja

Nazaj noter konec XVIII stoletja so začeli opažati znanstveniki nepojasnjen pojav- brezpogojno gibanje majhnih delcev, na primer najmanjšega prahu nad gladino vode. IN sredi 19. stoletja stoletja je škotski botanik Robert Brown izvedel vrsto poskusov, med katerimi je opazoval gibanje drobnih delcev kamnitega prahu. Deset let kasneje Einsteinova teorija posebne relativnosti matematična formula razložil, kar se je v fiziki do takrat imenovalo "Brownovo gibanje".

Do leta 1908 so se vsi poskusi, opazovanja in matematični izračuni skrčili na dejstvo, da so atomi resnični in da je iz njih sestavljena vsaka snov okoli nas. Ni pa minilo niti desetletje, odkar je znanost stopila še dlje in znanstvenike prisilila k razmišljanju o tem, iz česa so sestavljeni sami atomi.

Atomska zgradba

Da atom ni ena sama entiteta, je lahko presenetljivo, zlasti glede na izvor izraza, ki grški jezik prevedeno kot "nedeljivo". Vendar pa je fizika že dolgo poznala dejstvo relativno kompleksne in spremenljive zgradbe atomov. Najlažji način je primerjava strukture "elementarnih" delcev s sončnim sistemom.

Navaden atom je sestavljen iz treh komponent: protonov, nevtronov in elektronov. Protoni in nevtroni tvorijo nekakšno »jedro« atoma, zato jih v fiziki pogosto imenujemo nukleoni. Elektroni krožijo okoli jedra, kot planeti okoli sonca. Tako kot sonce predstavlja 99,9 % mase sončni sistem, torej atomsko jedro skoraj v celoti zavzema maso atoma.

Elektron

Če so atomi neverjetno majhni, so njihovi sestavni delci še manjši. Presenetljivo je, da je bil prvi od treh odkritih elementov atomske strukture najmanjši po velikosti - elektron. Da bi razumeli, koliko je elektron manjši od atomskega jedra, si najlažje predstavljamo čmrlja, ki leta naokoli. balon na vroč zrak. Kako so torej odkrili tako nepredstavljivo majhne delce snovi? Dejstvo je, da imajo elektroni kljub svoji velikosti ogromno energije, ki zadostuje za ustvarjanje emisij vidne svetlobe.

Zahvaljujoč tem sevanjem jih je prvi odkril britanski fizik Joseph John Thomson, ki je ustvaril nekakšen prototip pospeševalnika elementarni delci. Thomson je v ukrivljeno stekleno cev, v kateri je bil pred tem ustvarjen vakuum, vbrizgal negativni tokovni naboj. Kot posledica naboja se elektroni, ki imajo sami negativni naboj, so se lahko ločili od jedra in se odpravili na nasprotni rob cevi. Ko so negativno nabiti delci trčili ob stekleno površino, so ustvarili neverjeten rumeno-zelen sij.

Proton

Odkritje elektrona je znanstvenikom dalo misliti, da atom ni tako preprost, kot se zdi. Večina atomov ima nevtralen naboj in za zadrževanje negativno nabitih delcev v svoji strukturi potrebujejo pozitiven naboj. Tako je jedro ali atomsko jedro prišlo v središče pozornosti znanstvenikov. V začetku 20. stoletja je bilo izvedenih več poskusov, s katerimi so znanstveniki dokazali obstoj protonov in poleg tega zgradbo atoma, ki spominja na zgradbo sončnega sistema.

Britanski fizik Ernest Rutherford je izvedel poskus sipanja delcev skozi tanko zlato folijo. Znanstvenik sam je priznal, da od eksperimenta ni pričakoval veliko. Na folijo je usmeril tok radioaktivnih žarkov alfa, torej sevanja s pozitivnim nabojem. večina sevanje je šlo naravnost skozi folijo, vendar so se nekateri delci odbili od zlate površine pod dovolj veliki koti, kar je označevalo pozitivno nabite delce znotraj atomov. Poleg tega so ti delci precej veliki in zelo gosti, kar je Rutherfordu omogočilo, da je prvi ustvaril planetarni model zgradba atoma.

Nevtron

Zdi se, da sta bila struktura in obnašanje atomov podrobno preučena in predstavljena v številnih delih, vendar je znanost naletela na drugo težavo. Nekoč so znanstveniki lahko izmerili atomska masa, se je pojavilo vprašanje: zakaj je masa jedra dvakrat večja, kot bi morali tehtati pozitivno nabiti protoni? Že od samega začetka so znanstveniki domnevali prisotnost enakega števila in mase nukleonov, ki jih nimajo električni naboj. Namenoma so jih celo imenovali nevtroni, a nihče ni mogel dokazati njihovega obstoja.

Fizik iz Univerza Cambridge James Chadwick je naredil preboj na tem področju jedrska fizika, ko ni verjel, da atomi berilija oddajajo sevanje gama. Takrat so bili žarki gama še zelo sveže odkritje, a Chadwick večini znanstvenikov ni verjel in se je leta 1932 odločil za lasten poskus.

»Sevanje«, ki ga je oddajal berilij, je usmeril v snov, bogato s protoni. Protoni so bili izrinjeni kot krogle za biljard; kot da bi jih odrinili delci z enako maso. Te reakcije ni mogoče razložiti z gama sevanjem, zato so delce prepoznali kot nevtrone. Tako so bili najdeni vsi osnovni delci atoma, vendar se zgodovina njegovega preučevanja tu ne konča.

Atom (iz grščine "nedeljivo") - enkrat najmanjši delec snovi mikroskopske velikosti, najmanjši del kemični element, ki nosi svoje lastnosti. Sestavine atoma – protoni, nevtroni, elektroni – nimajo več teh lastnosti in jih tvorijo skupaj. Kovalentni atomi tvorijo molekule. Znanstveniki preučujejo značilnosti atoma in čeprav so že precej raziskani, ne zamudijo priložnosti, da bi našli nekaj novega - zlasti na področju ustvarjanja novih materialov in novih atomov (nadaljevanje periodnega sistema). 99,9 % mase atoma je v jedru.

Znanstveniki z univerze Radboud so odkrili nov mehanizem magnetno shranjevanje informacij v najmanjša enota snov: en atom. Čeprav je bil dokaz načela dokazan pod zelo nizke temperature, ta mehanizem obljublja, da bo deloval pri sobni temperaturi. Tako bo mogoče shraniti tisočkrat več informacij kot zdaj na trdih diskih. Rezultati dela so bili objavljeni v Nature Communications.