Круче микроскопа: как отсканировать рельеф молекулы

      Комментарии к записи Круче микроскопа: как отсканировать рельеф молекулы отключены

Круче микроскопа: как отсканировать рельеф молекулы

    Схема. На схеме продемонстрировано устройство одного из типов ядерного силового микроскопа для изучения живых тканей. Для правильного позиционирования примера, имеющего наноразмеры, в английской установке употребляется камера очень высокого вакуума и четыре туннельных микроскопа. Машина предназначена для разработки, сборки, ремонта и тестирования наномеханических конструкций, другими словами имеет скорее не научное, а научно-прикладное значение.
    В случае если на поверхности появляется выпуклость, расстояние до иглы значительно уменьшается, ток растет, и дабы привести его к заданному уровню и сохранить заданное расстояние, игла смещается вверх. Эти волнообразные перемещения складываются позже в 3D-картину рельефа.

Говорят, «деньги обожают тишину», и, возможно, Швейцария — одна из наилучших иллюстраций к этому тезису. Тишина, богатство и размеренность царят на берегах Цюрихского озера, где в окружении красивых гор живет по большей части очень состоятельная часть человечества. Весьма интересно, но, что такой же антураж замечательно (если судить по итогам) подходит и громадной науке.

Тут же, в Цюрихе, в районе Рюшликон еще с середины 50-х годов прошлого века расположилась одна из одиннадцати на сегодня лабораторий корпорации IBM.

Не обращая внимания на то что наименование корпорации стойко ассоциируется у многих с компьютерами, многонациональный научный коллектив Z? rich IBM Research исследует в самых различных областях, а также имеющих отношение к фундаментальным базам бытия.

Комплекс выкрашенных в белый цвет малоэтажных строений, красивый, но непритязательный дизайн внутренних помещений, подвальные этажи для лабораторий, где оборудование обожает тишину еще больше, чем деньги в швейцарских банках. Лаборатории, кстати, не создают чувство весьма просторных — свободного места для прогулок мало. Сначала еле верится , что именно в таких условиях вершится громадная наука.

Не больше кулака

Вот и лаборатория, где занимаются низкотемпературной микроскопией с применением сканирующего туннельного (STM) и ядерного силового (AFM) микроскопов, совсем маленькая. А ведь как раз тут, в этих стенках в первый раз удалось взять четкое изображение химической структуры молекулы. Об этом было заявлено в осеннюю пору 2009 года, и тогда же публике предъявили четкую картину молекулы пентацена — органического соединения, в молекулярной структуре которого присутствует пять шестиугольных бензольных колец, что, конечно же, смотрелось весьма зрелищно.

Фактически, атомы возможно было рассмотреть посредством замечательных электронных микроскопов и раньше, неприятность всегда была в том, что никак не получалось зафиксировать межатомные связи — через чур они не сильный. С применением AFM задача была решенной.

Лаборатория снабжена под почвой — тут практически не ощущаются вибрации здания и грунта. То, что нам показывают в качестве микроскопа, являет собой сборку из одной сферической и двух цилиндрических камер — дружно высотой метра полтора. «В действительности сам микроскоп совсем не таковой большой, — растолковывают нам сотрудники лаборатории. — Он размером примерно с человеческий кулак». Вся другая конструкция помогает для исполнения трех задач.

Во-первых, поверхности, на которых исследуются образцы, требуют сверхчистоты, и эта чистота обязана поддерживаться в течении долгих опытов. Для этого посредством насоса в камере, куда помещают микроскоп, создается большой вакуум.

Во-вторых, молекулам, каковые являются объектами изучения, при комнатной температуре характерны стремительные колебания, и, дабы «утихомирить» препарат, приходится охлаждать камеру практически до безотносительного нуля (5 К, минус 268°С). Для этого употребляется жидкий гелий, содержащийся в хромированном цилиндре. В-третьих, потому, что кое-какие паразитные вибрации в помещении лаборатории все равно присутствуют, существует совокупность особой подвески микроскопа в камеры, которая эти вибрации гасит.

Щупаем угарным газом

Две разновидности сканирующего зондового микроскопа — STM и AFM — были созданы в стенках цюрихской лаборатории IBM, а основоположниками этих разработок стали немец Герд Карл Бинниг и швейцарец Генрих Рорер, удостоенные во второй половине 80-ых годов двадцатого века Нобелевской премии. В случае если оптический микроскоп трудится с отраженным от объекта светом, а электронный «подсвечивает» его потоком электронов, то при со сканирующими зондовыми микроскопами происходит что-то совсем иное. Зонд AFM, воображающий собой подвижный рычаг (кантилевер) с иглой (микроскопическим конусом, острой частью обращенным к объекту изучения), как бы ощупывает структуру молекул и атомов, подобно тому, как незрячий просматривает выпуклости шрифта Брайля.

Игла, испытывая на себе за счет сверхмалого расстояния силы сотрудничества с атомами, считывает рельеф поверхности, что приводит к колебательным процессам кантилевера. Они, со своей стороны, фиксируются, к примеру, лазерным датчиком, эти которого переводятся в изображение.

В случае если речь заходит о сканирующем туннельном микроскопе, то на иглу зонда подается напряжение, и рельеф поверхности считывается за счет трансформации параметров тока, что протекает между иглой и исследуемым препаратом в следствии результата квантового туннелирования. Величина тока, например, зависит от плотности в той точке исследуемого примера, на которую наведена игла зонда.

Наряду с этим целый процесс вовсе не быстрый — сканирование объекта может занимать до 20 часов. Помимо этого, разработка требует прецизионной совокупности развертки и, что важно, приближения острия иглы зонда к размеру исследуемого объекта. В совершенстве это острие должно складываться из одной молекулы, и в лаборатории IBM как раз этого и удалось добиться.

А начиналось так: попытки отсканировать посредством AFM уже упомянутую молекулу пентацена заканчивались тем, что появляющиеся между образцом и иглой электростатическая сила и сила Ван-дер-Ваальса разрушали молекулу. Тогда удалось подцепить иглой одну молекулу моноксида углерода (CO), известного в быту как «угарный газ», которая и стала настоящим «острием». За счет особенностей обеих молекул воздействие мешавших сканированию сил компенсировалось.

Так, молекула пентацена была отсканирована с высоким разрешением. Тут, но, кроется и некая ограниченность данного способа — так как трюк с молекулой угарного газа не сработает, в случае если молекула препарата будет иметь второй состав, другими словами всегда нужно будет искать собственный ответ.

Прощание с кремнием

Но все это уже сутки вчерашний. Уже в прошедшем сезоне ученые IBM изучили посредством AFM молекулу нанографена и взяли не просто рисунок структуры, но и порядок и чёткую картину ядерных связей в молекулы. Стало известно, что эти связи не только различаются по силе, но и имеют различную длину.

Изучениям на AFM кроме этого подверглась молекула баксминстерфуллерена — аллотропного 60-ядерного соединения углерода, имеющего форму мяча и напоминающего по структуре купола и геодезические шары, придуманные американским архитектором Бакминстером Фуллером. Во всех этих изучениях кроме этого использовалась игла зонда с молекулой моноксида углерода в качестве острия.

Очевидно, испытания с зондовыми микроскопами, коль не так долго осталось ждать они проводятся в стенках лабораторий IBM, все-таки имеют определенное отношение к возможностям компьютерной индустрии. Дело в том, что новые материалы на базе углерода, в частности графен, рассматриваются в качестве будущей замены кремния для будущих электронных чипов.

В этом отношении особенную важность воображает разработка способов манипулирования подобными материалами практически на ядерном уровне. Кстати, в 2012 году IBM заявила о создании магнитной памяти, один бит которой будет иметь материальную базу в виде всего 12 атомов. Действительно, такая сборка носит сейчас чисто экспериментальный темперамент и сработана при сверхнизких температурах посредством зондового микроскопа.

Исходя из этого сложно ожидать, что 12-ядерная память может показаться в прикладных устройствах обозримой перспективе. А вероятно ли хранить данные посредством всего одного атома? Теоретически такая возможность существует.

Управляемое золото

Туннельный сканирующий микроскоп не разрешает приобретать такие сверхчеткие сканы молекул, как AFM, но его плюс в возможности активного действия на молекулу-препарат. В лаборатории IBM в Цюрихе нам показывают результаты опыта по манипулированию одним атомом.

Адсорбированные атомы золота (другими словами атомы, помещенные на кристаллическую поверхность, в которую они не смогут диффундировать) находятся на узкой пленке из хлорида натрия (поваренная соль), которая, со своей стороны, выстилает собой подкладку из меди. Все атомы на снимке выглядят как яркие кружочки на сером фоне.

Сейчас к одному атому подводится игла зонда и подается напряжение. Атомы опять сканируются, и на взятой картине прекрасно видно, что тот из них, что подвергся манипуляции, получил прекрасно заметный чёрный ореол. Что же произошло?

Нейтральный прежде атом получил от микроскопа добавочный электрон, а вместе с ним отрицательный заряд. «В таком состоянии, — растолковывает нам сотрудник лаборатории IBM, — атом в принципе может пребывать неизвестно продолжительное время. Но нет ничего, что мешает посредством того же микроскопа вернуть его в нейтральное состояние». А вдруг мы можем руководить двумя состояниями некоего объекта, меняя в любую секунду и по собственной воле одно состояние на второе, то что это, как не готовая логическая ячейка емкостью в один бит?

Статья «Космос на игле» размещена в издании «Популярная механика» (№123, январь 2013).

Как отсканировать документ или книгу, а?


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: