Faktanya, penulis RTCh telah melangkah sejauh ini dalam “refleksinya” sehingga sudah waktunya untuk memprovokasi argumen tandingan yang berat, yaitu data dari percobaan ilmuwan Jepang untuk memotret atom hidrogen, yang diketahui pada tanggal 4 November. , 2010. Gambar tersebut dengan jelas menunjukkan bentuk atom, membenarkan keleluasaan dan kebulatan atom: “Sekelompok ilmuwan dan spesialis dari Universitas Tokyo memotret untuk pertama kalinya di dunia sebuah atom hidrogen individu - atom paling ringan dan terkecil dari semua atom, laporan kantor berita.

Gambar itu diambil menggunakan salah satu teknologi terbaru - mikroskop elektron pemindaian khusus. Dengan menggunakan perangkat ini, atom vanadium terpisah difoto bersama dengan atom hidrogen.
Diameter atom hidrogen adalah sepersepuluh miliar meter. Sebelumnya diyakini hampir mustahil memotretnya dengan peralatan modern. Hidrogen adalah zat yang paling umum. Bagiannya di seluruh Alam Semesta adalah sekitar 90%.

Menurut para ilmuwan, partikel elementer lainnya dapat ditangkap dengan cara yang sama. “Sekarang kita bisa melihat semua atom yang membentuk dunia kita,” kata Profesor Yuichi Ikuhara. “Ini adalah terobosan menuju bentuk-bentuk produksi baru, dimana di masa depan dimungkinkan untuk mengambil keputusan pada tingkat atom dan molekul individu.”

Atom hidrogen, warna relatif
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Sekelompok ilmuwan dari Jerman, Yunani, Belanda, Amerika Serikat dan Perancis mengambil gambar atom hidrogen. Gambar-gambar ini, yang diperoleh dengan menggunakan mikroskop fotoionisasi, menunjukkan distribusi kerapatan elektron yang sepenuhnya sesuai dengan hasil perhitungan teoritis. Hasil kerja tim internasional disajikan pada halaman Physical Review Letters.

Inti dari metode fotoionisasi adalah ionisasi atom hidrogen secara berurutan, yaitu penghilangan elektron darinya karena iradiasi elektromagnetik. Elektron yang terpisah diarahkan ke matriks sensitif melalui cincin bermuatan positif, dan posisi elektron pada saat tumbukan dengan matriks mencerminkan posisi elektron pada saat ionisasi atom. Cincin bermuatan, yang membelokkan elektron ke samping, bertindak sebagai lensa dan dengan bantuannya gambar diperbesar jutaan kali.

Metode ini, yang dijelaskan pada tahun 2004, telah digunakan untuk mengambil “foto” molekul individu, namun fisikawan melangkah lebih jauh dan menggunakan mikroskop fotoionisasi untuk mempelajari atom hidrogen. Karena tumbukan satu elektron hanya menghasilkan satu titik, para peneliti mengumpulkan sekitar 20 ribu elektron individu dari atom yang berbeda dan menyusun gambaran rata-rata kulit elektron.

Menurut hukum mekanika kuantum, elektron dalam suatu atom tidak mempunyai posisi tertentu dengan sendirinya. Hanya ketika sebuah atom berinteraksi dengan lingkungan luar barulah sebuah elektron muncul dengan satu atau lain kemungkinan di lingkungan inti atom tertentu: wilayah di mana kemungkinan maksimum untuk mendeteksi elektron disebut kulit elektron. Gambar-gambar baru menunjukkan perbedaan antara atom-atom dengan tingkat energi berbeda; Para ilmuwan mampu dengan jelas menunjukkan bentuk kulit elektron yang diprediksi oleh mekanika kuantum.

Dengan bantuan perangkat lain, memindai mikroskop terowongan, atom individu tidak hanya dapat dilihat, tetapi juga dipindahkan ke lokasi yang diinginkan. Sekitar sebulan yang lalu, teknik ini memungkinkan para insinyur IBM menggambar kartun, yang setiap bingkainya terdiri dari atom: eksperimen artistik semacam itu tidak memiliki efek praktis apa pun, tetapi menunjukkan kemungkinan mendasar untuk memanipulasi atom. Untuk tujuan terapan, bukan lagi perakitan atom yang digunakan, tetapi proses kimia dengan struktur nano yang mengatur dirinya sendiri atau membatasi pertumbuhan lapisan monoatomik pada substrat.

Namun, memotret atom itu sendiri, dan bukan sembarang bagiannya, tampaknya merupakan tugas yang sangat sulit bahkan ketika menggunakan perangkat berteknologi paling tinggi sekalipun.

Faktanya adalah bahwa menurut hukum mekanika kuantum, tidak mungkin menentukan semua sifat partikel subatom secara akurat. Cabang fisika teoretis ini dibangun berdasarkan prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang menyatakan bahwa tidak mungkin mengukur koordinat dan momentum suatu partikel dengan presisi yang sama - pengukuran yang akurat terhadap satu sifat tentu akan mengubah data tentang sifat lainnya.

Oleh karena itu, alih-alih menentukan lokasi (koordinat partikel), teori kuantum mengusulkan untuk mengukur apa yang disebut fungsi gelombang.

Fungsi gelombang bekerja dengan cara yang hampir sama seperti gelombang suara. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa deskripsi matematis gelombang suara menentukan pergerakan molekul di udara di suatu tempat tertentu, dan fungsi gelombang menggambarkan kemungkinan munculnya partikel di tempat tertentu menurut persamaan Schrödinger.

Mengukur fungsi gelombang juga sulit (pengamatan langsung menyebabkan keruntuhannya), tetapi fisikawan teoretis dapat memperkirakan nilainya secara kasar.

Semua parameter fungsi gelombang dapat diukur secara eksperimental hanya jika parameter tersebut dikumpulkan dari pengukuran destruktif terpisah yang dilakukan pada sistem atom atau molekul yang sepenuhnya identik.

Fisikawan dari lembaga penelitian Belanda AMOLF mempresentasikan metode baru yang tidak memerlukan “penataan ulang” dan mempublikasikan hasil karyanya di jurnal Physical Review Letters. Teknik mereka didasarkan pada hipotesis tahun 1981 oleh tiga fisikawan teoretis Soviet, serta penelitian yang lebih baru.

Selama percobaan, tim ilmuwan mengarahkan dua sinar laser ke atom hidrogen yang ditempatkan di ruang khusus. Akibat tumbukan ini, elektron meninggalkan orbitnya dengan kecepatan dan arah yang ditentukan oleh fungsi gelombangnya. Medan listrik yang kuat di dalam ruangan yang berisi atom hidrogen mengarahkan elektron ke bagian tertentu dari detektor planar (datar).

Posisi elektron yang mengenai detektor ditentukan oleh kecepatan awalnya, bukan oleh posisinya di dalam ruangan. Dengan demikian, distribusi elektron pada detektor memberi tahu para ilmuwan tentang fungsi gelombang partikel-partikel ini ketika mereka meninggalkan orbit di sekitar inti atom hidrogen.

Pergerakan elektron ditampilkan pada layar berpendar dalam bentuk cincin gelap dan terang, yang difoto oleh para ilmuwan dengan kamera digital resolusi tinggi.

"Kami sangat senang dengan hasil kami. Mekanika kuantum tidak ada hubungannya dengan kehidupan sehari-hari sehingga tidak mungkin ada orang yang berpikir untuk mendapatkan foto nyata interaksi kuantum dalam sebuah atom," kata penulis utama Aneta Stodolna. Ia juga mengklaim bahwa teknik yang dikembangkan juga dapat memiliki aplikasi praktis, misalnya untuk membuat konduktor setebal atom, pengembangan teknologi kawat molekuler, yang akan meningkatkan perangkat elektronik modern secara signifikan.

“Patut dicatat bahwa percobaan ini dilakukan secara khusus pada hidrogen, yang merupakan zat paling sederhana dan paling umum di alam semesta kita. Penting untuk dipahami apakah teknik ini dapat diterapkan pada atom yang lebih kompleks sebuah terobosan besar yang memungkinkan kita mengembangkan tidak hanya elektronik, tetapi juga nanoteknologi,” kata Jeff Lundeen dari Universitas Ottawa, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Namun, para ilmuwan yang melakukan percobaan itu sendiri tidak memikirkan sisi praktis dari masalah ini. Mereka percaya bahwa penemuan mereka terutama berkaitan dengan ilmu pengetahuan dasar, yang akan membantu mewariskan lebih banyak pengetahuan kepada generasi fisikawan masa depan.

Trurl mulai menangkap atom, mengikis elektron darinya, menguleni proton hingga hanya jari-jarinya yang berkedip, menyiapkan adonan proton, meletakkan elektron di sekitarnya dan - untuk atom berikutnya; Belum genap lima menit berlalu sebelum dia memegang sebongkah emas murni di tangannya: dia menyerahkannya ke moncongnya, dan dia, setelah mencoba balok itu di giginya dan menganggukkan kepalanya, berkata:
- Dan memang itu emas, tapi saya tidak bisa mengejar atom seperti itu. Saya terlalu besar.
- Tidak apa-apa, kami akan memberimu perangkat khusus! - Trurl membujuknya.

Stanislav Lem, Cyberiad

Apakah mungkin, dengan menggunakan mikroskop, untuk melihat suatu atom, membedakannya dari atom lain, mengamati penghancuran atau pembentukan ikatan kimia, dan melihat bagaimana suatu molekul berubah menjadi molekul lain? Ya, jika itu bukan mikroskop sederhana, tetapi mikroskop gaya atom. Dan Anda tidak perlu membatasi diri pada observasi. Kita hidup di masa ketika mikroskop gaya atom tidak lagi sekadar jendela menuju dunia mikro. Saat ini, instrumen tersebut dapat digunakan untuk menggerakkan atom, memutus ikatan kimia, mempelajari batas regangan molekul tunggal – dan bahkan mempelajari genom manusia.

Surat terbuat dari piksel xenon

Melihat atom tidak selalu mudah. Sejarah mikroskop gaya atom dimulai pada tahun 1979, ketika Gerd Karl Binnig dan Heinrich Rohrer, yang bekerja di Pusat Penelitian IBM di Zurich, mulai menciptakan instrumen yang memungkinkan studi permukaan pada resolusi atom. Untuk menghasilkan alat semacam itu, para peneliti memutuskan untuk menggunakan efek terowongan - kemampuan elektron untuk mengatasi hambatan yang tampaknya tidak dapat ditembus. Idenya adalah untuk menentukan posisi atom dalam sampel dengan mengukur kekuatan arus terowongan yang timbul antara probe pemindai dan permukaan yang diteliti.

Binnig dan Rohrer berhasil, dan mereka tercatat dalam sejarah sebagai penemu scanning tunnelingmicroscope (STM), dan pada tahun 1986 mereka menerima Hadiah Nobel Fisika. Mikroskop penerowongan pemindaian telah membuat revolusi nyata dalam fisika dan kimia.

Pada tahun 1990, Don Eigler dan Erhard Schweitzer, yang bekerja di IBM Research Center di California, menunjukkan bahwa STM dapat digunakan tidak hanya untuk mengamati atom, namun juga untuk memanipulasinya. Dengan menggunakan probe mikroskop terowongan pemindaian, mereka mungkin menciptakan gambar paling populer yang melambangkan transisi ahli kimia untuk bekerja dengan atom individu - mereka melukis tiga huruf pada permukaan nikel dengan 35 atom xenon (Gbr. 1).

Binnig tidak berpuas diri - pada tahun ia menerima Hadiah Nobel, bersama dengan Christopher Gerber dan Kelvin Quaite, yang juga bekerja di IBM Zurich Research Center, ia mulai mengerjakan perangkat lain untuk mempelajari dunia mikro, tanpa kekurangan. melekat pada STM. Faktanya adalah bahwa dengan bantuan mikroskop terowongan pemindai, tidak mungkin untuk mempelajari permukaan dielektrik, tetapi hanya konduktor dan semikonduktor, dan untuk menganalisis yang terakhir, perlu untuk menciptakan ruang hampa yang signifikan antara keduanya dan probe mikroskop. Menyadari bahwa membuat perangkat baru lebih mudah daripada memperbarui perangkat yang sudah ada, Binnig, Gerber, dan Quaite menemukan mikroskop kekuatan atom, atau AFM. Prinsip operasinya sangat berbeda: untuk memperoleh informasi tentang permukaan, mereka tidak mengukur kekuatan arus yang timbul antara probe mikroskop dan sampel yang diteliti, tetapi nilai gaya tarik menarik yang timbul di antara keduanya, yaitu lemah. interaksi non-kimia - gaya van der Waals.

Model kerja AFM yang pertama relatif sederhana. Para peneliti memindahkan probe berlian di atas permukaan sampel, terhubung ke sensor mikromekanis fleksibel - kantilever yang terbuat dari kertas emas (tarikan muncul antara probe dan atom, kantilever menekuk tergantung pada gaya tarik-menarik dan merusak piezoelektrik) . Tingkat pembengkokan kantilever ditentukan menggunakan sensor piezoelektrik - dengan cara yang sama seperti alur dan punggung piringan hitam diubah menjadi rekaman audio. Desain mikroskop gaya atom memungkinkannya mendeteksi gaya tarik menarik hingga 10–18 newton. Setahun setelah membuat prototipe kerja, para peneliti dapat memperoleh gambar topografi permukaan grafit dengan resolusi 2,5 angstrom.

Selama tiga dekade yang telah berlalu sejak itu, AFM telah digunakan untuk mempelajari hampir semua objek kimia - mulai dari permukaan bahan keramik hingga sel hidup dan molekul individu, baik dalam keadaan statis maupun dinamis. Mikroskop gaya atom telah menjadi pekerja keras para ahli kimia dan ilmuwan material, dan jumlah penelitian yang menggunakan metode ini terus bertambah (Gbr. 2).

Selama bertahun-tahun, para peneliti telah memilih kondisi untuk studi objek kontak dan non-kontak menggunakan mikroskop gaya atom. Metode kontak dijelaskan di atas dan didasarkan pada interaksi van der Waals antara kantilever dan permukaan. Saat beroperasi dalam mode non-kontak, piezovibrator membangkitkan osilasi probe pada frekuensi tertentu (paling sering beresonansi). Gaya yang diberikan oleh permukaan menyebabkan amplitudo dan fase osilasi probe berubah. Meskipun ada beberapa kelemahan metode non-kontak (terutama kepekaan terhadap kebisingan eksternal), metode ini menghilangkan pengaruh probe pada objek yang diteliti, dan oleh karena itu lebih menarik bagi ahli kimia.

Hidup dalam penyelidikan, dalam mengejar koneksi

Mikroskop gaya atom menjadi non-kontak pada tahun 1998 berkat karya siswa Binnig, Franz Josef Gissibl. Dialah yang mengusulkan penggunaan osilator referensi kuarsa dengan frekuensi stabil sebagai kantilever. 11 tahun kemudian, para peneliti dari laboratorium IBM di Zurich melakukan modifikasi lain dari AFM non-kontak: peran probe sensor tidak dimainkan oleh kristal berlian yang tajam, tetapi oleh satu molekul - karbon monoksida. Hal ini memungkinkan peralihan ke resolusi subatomik, seperti yang ditunjukkan oleh Leo Gross dari departemen IBM di Zurich. Pada tahun 2009, dengan menggunakan AFM, ia tidak membuat atom terlihat, tetapi ikatan kimia, memperoleh “gambar” yang cukup jelas dan tidak ambigu untuk molekul pentacene (Gbr. 3; Sains, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).

Yakin bahwa ikatan kimia dapat dilihat menggunakan AFM, Leo Gross memutuskan untuk melangkah lebih jauh dan menggunakan mikroskop gaya atom untuk mengukur panjang dan urutan ikatan – parameter kunci untuk memahami struktur kimia, dan juga sifat-sifat zat.

Ingatlah bahwa perbedaan orde ikatan menunjukkan kepadatan elektron yang berbeda dan jarak antar atom yang berbeda antara dua atom (sederhananya, ikatan rangkap lebih pendek dari ikatan tunggal). Pada etana, orde ikatan karbon-karbon adalah satu, pada etilen adalah dua, dan pada molekul aromatik klasik benzena, orde ikatan karbon-karbon lebih besar dari satu tetapi kurang dari dua, dan dianggap 1,5.

Menentukan urutan ikatan jauh lebih sulit ketika berpindah dari sistem aromatik sederhana ke sistem siklik polikondensasi planar atau massal. Jadi, urutan ikatan dalam fullerene, yang terdiri dari cincin karbon beranggota lima dan enam yang terkondensasi, dapat mempunyai nilai berapa pun dari satu hingga dua. Ketidakpastian yang sama secara teoritis melekat pada senyawa polisiklik aromatik.

Pada tahun 2012, Leo Gross, bersama dengan Fabian Mohn, menunjukkan bahwa mikroskop gaya atom dengan probe logam non-kontak yang dimodifikasi dengan karbon monoksida dapat mengukur perbedaan distribusi muatan atom dan jarak antar atom - yaitu parameter yang terkait dengan urutan ikatan ( Sains, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).

Untuk melakukan ini, mereka mempelajari dua jenis ikatan kimia dalam fullerene - ikatan karbon-karbon, yang umum terjadi pada dua cincin beranggota enam yang mengandung karbon pada fullerene C60, dan ikatan karbon-karbon, yang umum terjadi pada lima dan enam. -cincin beranggota. Mikroskop gaya atom telah menunjukkan bahwa kondensasi cincin beranggota enam menghasilkan ikatan yang lebih pendek dan lebih besar dibandingkan kondensasi fragmen siklik C 6 dan C 5 . Studi tentang ciri-ciri ikatan kimia dalam heksabenzokoronena, di mana enam cincin C6 lagi terletak secara simetris di sekitar cincin pusat C6, mengkonfirmasi hasil pemodelan kimia kuantum, yang menurutnya urutan ikatan C-C dari cincin pusat (dalam Gambar 4, surat itu Saya) harus lebih besar dari ikatan yang menghubungkan cincin ini dengan siklus periferal (pada Gambar 4 huruf J). Hasil serupa diperoleh untuk hidrokarbon aromatik polisiklik yang lebih kompleks yang mengandung sembilan cincin beranggota enam.

Orde ikatan dan jarak antar atom, tentu saja, menarik bagi ahli kimia organik, namun hal ini lebih penting bagi mereka yang mempelajari teori ikatan kimia, memprediksi reaktivitas, dan mempelajari mekanisme reaksi kimia. Namun, baik ahli kimia sintetik maupun ahli dalam mempelajari struktur senyawa alami terkejut: ternyata mikroskop gaya atom dapat digunakan untuk menentukan struktur molekul dengan cara yang sama seperti spektroskopi NMR atau IR. Selain itu, metode ini memberikan jawaban yang jelas atas pertanyaan-pertanyaan yang tidak dapat ditangani oleh metode ini.

Mulai dari fotografi hingga sinema

Pada tahun 2010, Leo Gross dan Rainer Ebel yang sama mampu dengan jelas menetapkan struktur senyawa alami - cephalandol A, yang diisolasi dari bakteri Dermacoccus abissi(Kimia Alam, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Komposisi sefalandol A sebelumnya telah ditentukan menggunakan spektrometri massa, tetapi analisis spektrum NMR senyawa ini tidak memberikan jawaban yang jelas atas pertanyaan tentang strukturnya: ada empat pilihan yang mungkin. Dengan menggunakan mikroskop gaya atom, para peneliti segera menghilangkan dua dari empat struktur tersebut, dan membuat pilihan yang tepat dari dua struktur lainnya dengan membandingkan hasil yang diperoleh dengan menggunakan AFM dan pemodelan kimia kuantum. Tugasnya ternyata sulit: tidak seperti pentacene, fullerene, dan coronenes, cephalandol A tidak hanya mengandung atom karbon dan hidrogen, selain itu, molekul ini tidak memiliki bidang simetri (Gbr. 5) - tetapi masalah ini juga terpecahkan.

Konfirmasi lebih lanjut bahwa mikroskop gaya atom dapat digunakan sebagai alat analisis diperoleh dari kelompok Oscar Kustanza yang saat itu bekerja di School of Engineering di Universitas Osaka. Dia menunjukkan bagaimana menggunakan AFM untuk membedakan atom-atom yang berbeda satu sama lain jauh lebih sedikit dibandingkan karbon dan hidrogen ( Alam, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustants memeriksa permukaan paduan yang terdiri dari silikon, timah dan timbal dengan kandungan masing-masing elemen yang diketahui. Sebagai hasil dari berbagai percobaan, ia menemukan bahwa gaya yang dihasilkan antara ujung probe AFM dan atom yang berbeda berbeda (Gbr. 6). Misalnya, interaksi terkuat diamati saat menyelidiki silikon, dan interaksi terlemah diamati saat menyelidiki timbal.

Diasumsikan bahwa di masa depan, hasil mikroskop gaya atom untuk pengenalan atom individu akan diproses dengan cara yang sama seperti hasil NMR - dengan membandingkan nilai relatif. Karena komposisi yang tepat dari ujung sensor sulit dikendalikan, nilai absolut gaya antara sensor dan berbagai atom permukaan bergantung pada kondisi eksperimen dan merek perangkat, namun rasio gaya ini untuk komposisi dan bentuk apa pun. sensor tetap konstan untuk setiap unsur kimia.

Pada tahun 2013, contoh pertama penggunaan AFM untuk memperoleh gambar molekul individu sebelum dan sesudah reaksi kimia muncul: sebuah “kumpulan foto” produk reaksi dan zat antara dibuat, yang kemudian dapat diedit menjadi semacam film dokumenter ( Sains, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187 ).

Felix Fischer dan Michael Crommie dari Universitas California di Berkeley mengaplikasikan perak ke permukaan 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzena, mencitrakan molekul dan memanaskan permukaan untuk memulai siklisasi. Setengah dari molekul asli berubah menjadi struktur aromatik polisiklik yang terdiri dari lima cincin beranggota enam dan dua cincin beranggota lima yang menyatu. Seperempat molekul lainnya membentuk struktur yang terdiri dari empat cincin beranggota enam yang dihubungkan melalui satu cincin beranggota empat, dan dua cincin beranggota lima (Gbr. 7). Produk sisanya adalah struktur oligomer dan, dalam jumlah kecil, isomer polisiklik.

Hasil ini dua kali mengejutkan para peneliti. Pertama, hanya dua produk utama yang terbentuk selama reaksi. Kedua, strukturnya mengejutkan. Fisher mencatat bahwa intuisi dan pengalaman kimia memungkinkan untuk menggambarkan lusinan kemungkinan produk reaksi, namun tidak satupun yang berhubungan dengan senyawa yang terbentuk di permukaan. Ada kemungkinan bahwa terjadinya proses kimia yang tidak lazim difasilitasi oleh interaksi zat awal dengan substrat.

Tentu saja, setelah keberhasilan besar pertama dalam studi ikatan kimia, beberapa peneliti memutuskan untuk menggunakan AFM untuk mengamati interaksi antarmolekul yang lebih lemah dan kurang dipelajari, khususnya ikatan hidrogen. Namun, pekerjaan di bidang ini baru saja dimulai, dan hasilnya bertentangan. Jadi, beberapa publikasi melaporkan bahwa mikroskop gaya atom memungkinkan untuk mengamati ikatan hidrogen ( Sains, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), yang lain berpendapat bahwa ini hanyalah artefak karena fitur desain perangkat, dan hasil eksperimen perlu ditafsirkan lebih hati-hati ( Surat Tinjauan Fisik, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Mungkin jawaban akhir atas pertanyaan apakah hidrogen dan interaksi antarmolekul lainnya dapat diamati dengan menggunakan mikroskop gaya atom akan diperoleh dalam dekade ini. Untuk melakukan ini, perlu meningkatkan resolusi AFM setidaknya beberapa kali lebih banyak dan mempelajari cara mendapatkan gambar tanpa gangguan ( Tinjauan FisikB, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).

Sintesis molekul tunggal

Di tangan yang terampil, STM dan AFM berubah dari perangkat yang mampu mempelajari materi menjadi perangkat yang mampu mengubah struktur materi dengan sengaja. Dengan bantuan perangkat ini, “laboratorium kimia terkecil” telah dapat diperoleh, di mana substrat digunakan sebagai pengganti labu, dan molekul individu digunakan sebagai pengganti mol atau milimol zat yang bereaksi.

Misalnya, pada tahun 2016, tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh Takashi Kumagai menggunakan mikroskop gaya atom non-kontak untuk mengubah molekul porfisen dari satu bentuk ke bentuk lainnya ( Kimia Alam, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porfisen dapat dianggap sebagai modifikasi porfirin, cincin bagian dalamnya mengandung empat atom nitrogen dan dua atom hidrogen. Getaran probe AFM mentransfer energi yang cukup ke molekul porphycene untuk mentransfer hidrogen ini dari satu atom nitrogen ke atom nitrogen lainnya, dan hasilnya adalah “gambar cermin” dari molekul ini (Gbr. 8).

Tim, yang dipimpin oleh Leo Gross yang tak kenal lelah, juga menunjukkan bahwa reaksi dari satu molekul dapat dimulai - mereka mengubah dibromomantrasena menjadi diyne siklik beranggota sepuluh (Gbr. 9; Kimia Alam, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300 ). Berbeda dengan Kumagai dkk., mereka menggunakan mikroskop penerowongan pemindaian untuk mengaktifkan molekul, dan hasil reaksi dipantau menggunakan mikroskop gaya atom.

Penggunaan gabungan mikroskop terowongan pemindai dan mikroskop gaya atom bahkan memungkinkan diperolehnya molekul yang tidak dapat disintesis menggunakan teknik dan metode klasik ( Nanoteknologi Alam, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305 ). Ini adalah triangulena, diradikal aromatik tidak stabil yang keberadaannya telah diprediksi enam dekade lalu, namun semua upaya sintesis gagal (Gbr. 10). Ahli kimia dari kelompok Niko Pavlicek memperoleh senyawa yang diinginkan dengan menghilangkan dua atom hidrogen dari prekursornya menggunakan STM dan mengkonfirmasi hasil sintetiknya menggunakan AFM.

Jumlah penelitian yang ditujukan pada penggunaan mikroskop gaya atom dalam kimia organik diperkirakan akan terus bertambah. Saat ini, semakin banyak ilmuwan yang mencoba meniru reaksi permukaan yang dikenal dalam “kimia larutan”. Tapi mungkin ahli kimia sintetik akan mulai mereproduksi reaksi yang awalnya dilakukan di permukaan menggunakan AFM dalam larutan.

Dari tak hidup menjadi hidup

Kantilever dan probe mikroskop gaya atom dapat digunakan tidak hanya untuk studi analitis atau sintesis molekul eksotik, tetapi juga untuk memecahkan masalah terapan. Sudah diketahui kasus penggunaan AFM dalam pengobatan, misalnya untuk diagnosis dini kanker, dan di sini pelopornya adalah Christopher Gerber, yang memiliki andil dalam mengembangkan prinsip mikroskop gaya atom dan penciptaan AFM.

Dengan demikian, Gerber mampu mengajarkan AFM untuk mendeteksi mutasi titik pada asam ribonukleat pada melanoma (pada bahan yang diperoleh dari hasil biopsi). Untuk melakukan ini, kantilever emas mikroskop gaya atom dimodifikasi dengan oligonukleotida yang dapat melakukan interaksi antarmolekul dengan RNA, dan kekuatan interaksi ini juga dapat diukur melalui efek piezoelektrik. Sensitivitas sensor AFM sangat tinggi sehingga mereka mencoba menggunakannya untuk mempelajari efektivitas metode pengeditan genom populer CRISPR-Cas9. Teknologi yang diciptakan oleh berbagai generasi peneliti berkumpul di sini.

Untuk memparafrasekan salah satu teori politik klasik, kita dapat mengatakan bahwa kita telah melihat kemungkinan yang tidak terbatas dan mikroskop kekuatan atom yang tidak ada habisnya dan hampir tidak dapat membayangkan apa yang akan terjadi sehubungan dengan perkembangan lebih lanjut dari teknologi ini. Namun saat ini, pemindaian mikroskop terowongan dan mikroskop gaya atom memberi kita kesempatan untuk melihat dan menyentuh atom. Kita dapat mengatakan bahwa ini bukan hanya perpanjangan mata kita, yang memungkinkan kita melihat mikrokosmos atom dan molekul, tetapi juga mata baru, jari-jari baru, yang mampu menyentuh dan mengendalikan mikrokosmos ini.

Atom (dari bahasa Yunani “tak terpisahkan”) dulunya adalah partikel terkecil dari suatu zat berukuran mikroskopis, bagian terkecil dari suatu unsur kimia yang memiliki sifat-sifatnya. Komponen atom - proton, neutron, elektron - tidak lagi memiliki sifat-sifat ini dan membentuknya bersama-sama. Atom kovalen membentuk molekul. Para ilmuwan mempelajari ciri-ciri atom, dan meskipun telah dipelajari dengan cukup baik, mereka tidak melewatkan kesempatan untuk menemukan sesuatu yang baru - khususnya di bidang penciptaan bahan baru dan atom baru (melanjutkan tabel periodik). 99,9% massa atom ada di dalam inti atom.

Jangan terkecoh dengan judulnya. Lubang hitam yang secara tidak sengaja dibuat oleh karyawan SLAC National Accelerator Laboratory ternyata hanya berukuran satu atom, jadi tidak ada yang mengancam kita. Dan nama “lubang hitam” hanya menggambarkan sedikit fenomena yang diamati oleh para peneliti. Kami telah berulang kali memberi tahu Anda tentang laser sinar-X paling kuat di dunia, yang disebut

Mari mencoba. Saya tidak berpikir bahwa semua yang tertulis di bawah ini benar-benar adil, dan saya bisa saja melewatkan sesuatu, tetapi analisis jawaban yang ada untuk pertanyaan serupa dan pemikiran saya sendiri adalah seperti ini:

Mari kita ambil atom hidrogen: satu proton dan satu elektron pada orbitnya.

Jari-jari atom hidrogen sama persis dengan jari-jari orbit elektronnya. Di alam, ukurannya sama dengan 53 pikometer, yaitu 53x10^-12 meter, tetapi kami ingin meningkatkannya menjadi 30x10^-2 meter - sekitar 5 miliar kali lipat.

Diameter proton (yaitu inti atom kita) adalah 1,75 × 10^−15 m. Jika kita memperbesarnya ke ukuran yang diinginkan, ukurannya akan menjadi 1 × 10^−5 meter, yaitu seperseratus dari satu milimeter. Hal ini tidak dapat dibedakan dengan mata telanjang.

Mari kita tingkatkan protonnya hingga seukuran kacang polong. Orbit elektron akan menjadi radius lapangan sepak bola.

Proton akan mewakili area bermuatan positif. Ia terdiri dari tiga quark, yang ukurannya sekitar seribu kali lebih kecil - kita pasti tidak akan melihatnya. Ada pendapat bahwa jika Anda menaburkan serutan magnet pada objek hipotetis ini, ia akan berkumpul di sekitar pusatnya menjadi awan berbentuk bola.

Elektron tidak akan terlihat. Tidak ada bola yang akan terbang mengelilingi inti atom; “orbit” sebuah elektron hanyalah suatu wilayah di titik-titik berbeda di mana elektron dapat ditempatkan dengan probabilitas berbeda. Kita dapat membayangkannya sebagai sebuah bola dengan diameter sebesar stadion di sekeliling kacang polong kita. Di titik acak di dalam bola ini, muatan listrik negatif muncul dan langsung menghilang. Selain itu, ia melakukannya dengan sangat cepat sehingga bahkan pada saat tertentu pun tidak masuk akal untuk membicarakan lokasi spesifiknya... ya, itu tidak dapat dipahami. Sederhananya, itu tidak "terlihat" seperti apa pun.

Menariknya, dengan memperbesar sebuah atom ke dimensi makroskopis, kita berharap dapat “melihatnya” – yaitu, mendeteksi cahaya yang dipantulkan darinya. Faktanya, atom berukuran biasa tidak memantulkan cahaya; pada skala atom kita berbicara tentang interaksi antara elektron dan foton. Sebuah elektron dapat menyerap foton dan berpindah ke tingkat energi berikutnya, dapat memancarkan foton, dan seterusnya. Secara hipotetis, meningkatkan sistem ini hingga seukuran lapangan sepak bola akan memerlukan terlalu banyak asumsi untuk memprediksi perilaku struktur mustahil ini: apakah foton akan memiliki efek yang sama pada atom raksasa? Apakah kita perlu “melihatnya” dengan membombardirnya dengan foton raksasa khusus? Akankah ia memancarkan foton raksasa? Semua pertanyaan ini, sebenarnya, tidak masuk akal. Namun menurut saya, dapat dikatakan bahwa atom tidak akan memantulkan cahaya seperti bola logam.