Faktanya, penulis RFC dalam "refleksi"-nya melangkah terlalu jauh sehingga sudah waktunya untuk memanggil argumen tandingan yang berat, yaitu, data eksperimen ilmuwan Jepang dalam memotret atom hidrogen, yang mulai dikenal pada 4 November 2010. Gambar tersebut dengan jelas menunjukkan bentuk atom, membenarkan diskrit dan kebulatan atom: “Sekelompok ilmuwan dan spesialis dari Universitas Tokyo memotret satu atom hidrogen untuk pertama kalinya di dunia - atom paling ringan dan terkecil dari semua atom, berita laporan lembaga.

Gambar itu diambil menggunakan salah satu teknologi terbaru - mikroskop elektron pemindaian khusus. Menggunakan perangkat ini, bersama dengan atom hidrogen, atom vanadium terpisah juga difoto.
Diameter atom hidrogen adalah sepersepuluh miliar meter. Sebelumnya, diyakini hampir tidak mungkin untuk 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 untuk bentuk produksi baru, ketika di masa depan akan memungkinkan untuk membuat keputusan di tingkat atom dan molekul individu.”

Atom hidrogen, warna bersyarat
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, diperoleh dengan mikroskop fotoionisasi, menunjukkan distribusi kerapatan elektron, yang sepenuhnya sesuai dengan hasil perhitungan teoretis. Karya kelompok internasional disajikan di halaman Physical Review Letters.

Inti dari metode fotoionisasi adalah ionisasi berurutan atom hidrogen, yaitu penghilangan elektron dari mereka 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, berperan sebagai lensa dan dengan bantuannya gambar diperbesar jutaan kali.

Metode ini, dijelaskan pada tahun 2004, telah digunakan untuk mengambil "gambar" molekul individu, tetapi fisikawan telah melangkah lebih jauh dan menggunakan mikroskop fotoionisasi untuk mempelajari atom hidrogen. Sejak memukul satu elektron hanya memberikan satu poin, para peneliti mengumpulkan sekitar 20.000 elektron individu dari atom yang berbeda dan rata-rata gambar kulit elektron.

Menurut hukum mekanika kuantum, elektron dalam atom tidak memiliki posisi yang pasti dengan sendirinya. Hanya ketika sebuah atom berinteraksi dengan lingkungan eksternal, sebuah elektron dengan satu atau beberapa probabilitas muncul di lingkungan tertentu dari inti atom: wilayah di mana probabilitas menemukan elektron maksimum disebut kulit elektron. Gambar-gambar baru menunjukkan perbedaan antara atom-atom dari keadaan energi yang berbeda; ilmuwan mampu secara visual menunjukkan bentuk kulit elektron diprediksi oleh mekanika kuantum.

Dengan bantuan instrumen lain, pemindaian mikroskop terowongan, atom individu tidak hanya dapat dilihat, tetapi juga dipindahkan ke tempat yang tepat. Teknik ini, sekitar sebulan yang lalu, memungkinkan insinyur IBM untuk menggambar kartun, yang setiap bingkainya terdiri dari atom: eksperimen artistik semacam itu tidak memiliki efek praktis, tetapi menunjukkan kemungkinan mendasar untuk memanipulasi atom. Untuk tujuan terapan, ini bukan lagi perakitan atom, tetapi proses kimia dengan pengaturan struktur nano sendiri atau pembatasan diri dari pertumbuhan lapisan monoatomik pada substrat.

Namun, memotret atom itu sendiri, dan bukan bagian mana pun darinya, adalah tugas yang sangat sulit, bahkan dengan perangkat berteknologi paling tinggi sekalipun.

Faktanya adalah bahwa menurut hukum mekanika kuantum, tidak mungkin untuk secara akurat menentukan semua sifat partikel subatomik. Bagian fisika teoretis ini dibangun di atas prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang menyatakan bahwa tidak mungkin mengukur koordinat dan momentum partikel dengan akurasi yang sama - pengukuran yang akurat dari satu properti pasti akan mengubah data tentang yang lain.

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 dengan gelombang suara. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa deskripsi matematis dari gelombang suara menentukan pergerakan molekul di udara di tempat tertentu, dan fungsi gelombang menggambarkan kemungkinan partikel muncul di satu tempat atau tempat lain menurut persamaan Schrödinger.

Mengukur fungsi gelombang juga tidak mudah (pengamatan langsung menyebabkannya runtuh), tetapi fisikawan teoretis dapat secara kasar memprediksi nilainya.

Dimungkinkan untuk secara eksperimental mengukur semua parameter fungsi gelombang hanya jika dikumpulkan dari pengukuran destruktif terpisah yang dilakukan pada sistem atom atau molekul yang benar-benar identik.

Fisikawan dari lembaga penelitian Belanda AMOLF telah mempresentasikan metode baru yang tidak memerlukan "pembangunan kembali" dan menerbitkan hasil pekerjaan mereka di jurnal Physical Review Letters. Metodologi mereka didasarkan pada hipotesis 1981 oleh tiga fisikawan teoretis Soviet, serta penelitian yang lebih baru.

Selama percobaan, tim ilmuwan mengarahkan dua sinar laser pada atom hidrogen yang ditempatkan di ruang khusus. Akibat tumbukan tersebut, elektron meninggalkan orbitnya dengan kecepatan dan arah yang ditentukan oleh fungsi gelombangnya. Medan listrik yang kuat di dalam ruangan, tempat atom hidrogen berada, mengirimkan 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, yang mereka miliki 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 manusia sehingga hampir tidak ada orang yang berpikir untuk mendapatkan foto nyata interaksi kuantum dalam atom," kata Aneta Stodolna, penulis utama studi tersebut. Dia juga mengklaim bahwa teknik yang dikembangkan juga dapat memiliki aplikasi praktis, misalnya, untuk membuat konduktor setebal atom, untuk mengembangkan teknologi kabel molekul, yang secara signifikan akan meningkatkan perangkat elektronik modern.

"Perlu dicatat bahwa percobaan dilakukan pada hidrogen, yang merupakan zat paling sederhana dan paling umum di alam semesta kita. Perlu dipahami apakah teknik ini dapat diterapkan pada atom yang lebih kompleks. Jika demikian, maka ini adalah a terobosan besar yang memungkinkan kami mengembangkan tidak hanya elektronik, tetapi juga nanoteknologi,” kata Jeff Lundeen dari University of Ottawa, yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut.

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

Trurl mulai menangkap atom, mengikis elektron dari mereka, menguleni proton sehingga hanya jari-jarinya yang berkedip, menyiapkan adonan proton, meletakkan elektron di sekitarnya dan - untuk atom berikutnya; kurang dari lima menit telah berlalu sebelum dia memegang sebatang emas murni di tangannya: dia menyerahkannya ke moncongnya, tetapi dia, setelah mencicipi batangan di giginya dan menganggukkan kepalanya, berkata:
- Dan memang emas, tapi saya tidak bisa mengejar atom seperti itu. aku terlalu besar.
- Tidak ada, kami akan memberi Anda peralatan khusus! Trurl membujuknya.

Stanislav Lem, Cyberiad

Apakah mungkin untuk melihat atom dengan mikroskop, membedakannya dari atom lain, mengikuti penghancuran atau pembentukan ikatan kimia, dan melihat bagaimana satu molekul berubah menjadi molekul lain? Ya, jika itu bukan mikroskop sederhana, tetapi mikroskop kekuatan atom. Dan Anda bisa dan tidak terbatas pada pengamatan. Kita hidup di masa ketika mikroskop kekuatan atom tidak lagi hanya menjadi jendela ke dunia mikro. Saat ini, instrumen ini dapat digunakan untuk memindahkan atom, memutuskan ikatan kimia, mempelajari batas regangan molekul tunggal - dan bahkan mempelajari genom manusia.

Huruf dari piksel xenon

Mengingat atom tidak selalu begitu mudah. Sejarah mikroskop kekuatan atom dimulai pada tahun 1979, ketika Gerd Karl Binnig dan Heinrich Rohrer, yang bekerja di Pusat Penelitian IBM di Zurich, mulai membuat instrumen yang memungkinkan mempelajari permukaan dengan resolusi atom. Untuk menghasilkan perangkat semacam itu, para peneliti memutuskan untuk menggunakan efek transisi terowongan - kemampuan elektron untuk mengatasi hambatan yang tampaknya tidak dapat ditembus. Idenya adalah untuk menentukan posisi atom dalam sampel dengan mengukur kekuatan arus tunneling yang terjadi antara probe pemindaian dan permukaan yang diteliti.

Binnig dan Rohrer berhasil, dan mereka tercatat dalam sejarah sebagai penemu scanning tunneling microscope (STM), dan pada tahun 1986 menerima Hadiah Nobel dalam Fisika. Mikroskop tunneling 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, tetapi juga untuk memanipulasinya. Menggunakan probe mikroskop tunneling 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 menerima Hadiah Nobel, bersama dengan Christopher Gerber dan Calvin Quayt, yang juga bekerja di Pusat Penelitian IBM Zurich, ia mulai mengerjakan perangkat lain untuk mempelajari dunia mikro, tanpa kekurangan. yang melekat pada STM. Faktanya adalah bahwa dengan bantuan mikroskop tunneling pemindaian tidak mungkin untuk mempelajari permukaan dielektrik, tetapi hanya konduktor dan semikonduktor, dan untuk menganalisis yang terakhir, penghalusan yang signifikan harus dibuat antara mereka dan probe mikroskop. Menyadari bahwa lebih mudah untuk membuat perangkat baru daripada memutakhirkan yang sudah ada, Binnig, Gerber, dan Quait menemukan mikroskop gaya atom, atau AFM. Prinsip operasinya sangat berbeda: untuk mendapatkan informasi tentang permukaan, bukan kekuatan arus yang terjadi antara probe mikroskop dan sampel yang diteliti yang diukur, tetapi nilai gaya tarik-menarik yang muncul di antara mereka, yaitu, interaksi non-kimia yang lemah - gaya van der Waals.

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

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

Selama bertahun-tahun, para peneliti telah memilih kondisi untuk studi kontak dan non-kontak objek menggunakan mikroskop kekuatan atom. Metode kontak yang dijelaskan di atas 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 bekerja dari permukaan mengarah pada fakta bahwa amplitudo dan fase osilasi probe berubah. Terlepas dari beberapa kekurangan dari metode non-kontak (pertama-tama, kepekaan terhadap kebisingan eksternal), justru metode inilah yang mengecualikan efek probe pada objek yang diteliti, dan, oleh karena itu, lebih menarik bagi ahli kimia.

Hidup di probe, mengejar koneksi

Mikroskop gaya atom menjadi non-kontak pada tahun 1998 berkat karya siswa Binnig, Franz Josef Gissible. Dialah yang menyarankan menggunakan osilator referensi kuarsa dengan frekuensi stabil sebagai kantilever. Setelah 11 tahun, para peneliti dari laboratorium IBM di Zurich melakukan modifikasi lain dari AFM non-kontak: peran sensor-penyelidik tidak dilakukan oleh kristal berlian yang tajam, tetapi oleh satu molekul - karbon monoksida. Hal ini memungkinkan untuk pindah ke resolusi subatomik, seperti yang ditunjukkan oleh Leo Gross dari divisi Zurich IBM. Pada tahun 2009, dengan bantuan AFM, ia membuat tidak terlihat atom, tetapi ikatan kimia, setelah memperoleh "gambar" yang cukup jelas dan dapat dibaca dengan jelas untuk molekul pentacene (Gbr. 3; Sains, 2009, 325, 5944, 1110-1114, doi: 10.1126/science.1176210).

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

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

Menentukan orde ikatan jauh lebih sulit ketika beralih dari sistem aromatik sederhana ke sistem cincin polikondensasi planar atau besar. Dengan demikian, urutan ikatan dalam fullerene yang terdiri dari siklus karbon beranggota lima dan enam yang terkondensasi dapat mengambil nilai apa pun dari satu hingga dua. Ketidakpastian yang sama secara teoritis berlaku untuk senyawa aromatik polisiklik.

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 di antara atom dan jarak antar atom - yaitu, parameter yang terkait dengan orde 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, umum untuk dua siklus yang mengandung karbon beranggota enam dari fullerene C 60, dan ikatan karbon-karbon, umum untuk beranggota lima dan enam. siklus. Mikroskop atom menunjukkan bahwa kondensasi cincin beranggota enam menghasilkan ikatan yang lebih pendek dan lebih tinggi daripada kondensasi fragmen siklik C6 dan C5. Studi tentang fitur ikatan kimia dalam hexabenzocoronene, di mana enam siklus C6 lagi terletak secara simetris di sekitar siklus C 6 pusat, mengkonfirmasi hasil pemodelan kimia kuantum, yang menurutnya urutan ikatan C-C dari cincin pusat (pada Gambar. 4, surat saya) harus lebih besar dari ikatan yang menyatukan cincin ini dengan siklus perifer (pada Gambar. 4, huruf j). Hasil serupa juga 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, tetapi lebih penting bagi mereka yang terlibat dalam teori ikatan kimia, prediksi reaktivitas dan studi mekanisme reaksi kimia. Namun demikian, baik ahli kimia sintetik maupun spesialis dalam studi struktur senyawa alami terkejut: ternyata mikroskop gaya atom dapat digunakan untuk menetapkan struktur molekul dengan cara yang sama seperti spektroskopi NMR atau IR. Selain itu, ini memberikan jawaban yang jelas untuk pertanyaan yang tidak dapat diatasi oleh metode ini.

Dari fotografi ke bioskop

Pada tahun 2010, Leo Gross dan Rainer Ebel yang sama dapat dengan jelas membangun struktur senyawa alami - cephalandol A, diisolasi dari bakteri Dermacoccus abyssi(Kimia Alam, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Komposisi cephalandol A sebelumnya ditentukan menggunakan spektrometri massa, tetapi analisis spektrum NMR senyawa ini tidak memberikan jawaban yang jelas untuk pertanyaan strukturnya: empat varian dimungkinkan. Menggunakan mikroskop kekuatan atom, para peneliti segera mengesampingkan dua dari empat struktur, dan membuat pilihan yang tepat dari dua yang tersisa dengan membandingkan hasil yang diperoleh melalui AFM dan pemodelan kimia kuantum. Tugasnya ternyata sulit: berbeda dengan 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 datang dari kelompok Oskar Kustanz, saat itu di Sekolah Teknik Universitas Osaka. Dia menunjukkan bagaimana, menggunakan AFM, untuk membedakan antara atom yang berbeda satu sama lain jauh lebih sedikit daripada karbon dan hidrogen ( Alam, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustanz menyelidiki 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 muncul antara ujung probe AFM dan atom yang berbeda berbeda (Gbr. 6). Misalnya, interaksi terkuat diamati saat menyelidik silikon, dan interaksi terlemah diamati saat menyelidik timah.

Diasumsikan bahwa di masa depan hasil mikroskop gaya atom untuk pengenalan atom individu akan diproses dengan cara yang sama seperti hasil NMR - dengan perbandingan nilai relatif. Karena komposisi yang tepat dari jarum sensor sulit dikendalikan, nilai absolut gaya antara sensor dan berbagai atom permukaan tergantung pada kondisi eksperimental dan merek perangkat, tetapi rasio gaya ini untuk setiap komposisi dan bentuk sensor tetap konstan untuk setiap elemen kimia.

Pada tahun 2013, contoh pertama penggunaan AFM untuk mendapatkan gambar molekul individu sebelum dan sesudah reaksi kimia muncul: "fotoset" dibuat dari produk dan zat antara reaksi, yang kemudian dapat dipasang ke dalam semacam film dokumenter ( Sains, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).

Felix Fisher dan Michael Crommie dari University of California di Berkeley menerapkan perak ke permukaan 1,2-bis[(2-etinilfenil)etil]benzena, mencitrakan molekul dan memanaskan permukaan untuk memulai siklisasi. Setengah dari molekul asli berubah menjadi struktur aromatik polisiklik, terdiri dari lima cincin beranggota enam dan dua cincin beranggota lima. Seperempat molekul lainnya membentuk struktur yang terdiri dari empat siklus beranggota enam yang dihubungkan melalui satu siklus beranggota empat dan dua siklus beranggota lima (Gbr. 7). Produk yang tersisa adalah struktur oligomer dan, dalam jumlah yang tidak signifikan, isomer polisiklik.

Hasil ini dua kali mengejutkan para peneliti. Pertama, hanya dua produk utama yang terbentuk selama reaksi. Kedua, struktur mereka menyebabkan kejutan. Fisher mencatat bahwa intuisi dan pengalaman kimia memungkinkan untuk menggambar lusinan produk reaksi yang mungkin, tetapi tidak ada satupun yang sesuai dengan senyawa yang terbentuk di permukaan. Ada kemungkinan bahwa interaksi zat awal dengan substrat berkontribusi pada terjadinya proses kimia atipikal.

Secara alami, setelah keberhasilan serius 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 kontradiktif. Jadi, dalam beberapa publikasi dilaporkan bahwa mikroskop gaya atom memungkinkan untuk mengamati ikatan hidrogen ( Sains, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), di lain pihak mereka berpendapat bahwa ini hanyalah artefak karena fitur desain perangkat, dan hasil eksperimen harus ditafsirkan lebih hati-hati ( Surat Tinjauan Fisik, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). Mungkin jawaban akhir untuk pertanyaan apakah mungkin untuk mengamati hidrogen dan interaksi antarmolekul lainnya menggunakan mikroskop gaya atom akan diperoleh dalam dekade ini. Untuk melakukan ini, perlu untuk meningkatkan resolusi AFM setidaknya beberapa kali dan mempelajari cara mendapatkan gambar tanpa noise ( Tinjauan Fisik B, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).

Sintesis satu molekul

Di tangan yang terampil, baik STM maupun AFM diubah dari instrumen yang mampu mempelajari materi menjadi instrumen yang mampu mengubah struktur materi secara terarah. Dengan bantuan perangkat ini, telah dimungkinkan untuk mendapatkan "laboratorium kimia terkecil", di mana substrat digunakan sebagai pengganti labu, dan molekul individu digunakan sebagai pengganti mol atau milimol reaktan.

Misalnya, pada tahun 2016, tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh Takashi Kumagai menggunakan mikroskop gaya atom non-kontak untuk mentransfer 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, siklus dalam yang mengandung empat atom nitrogen dan dua atom hidrogen. Getaran probe AFM mentransfer energi yang cukup ke molekul porfisen untuk mentransfer hidrogen ini dari satu atom nitrogen ke atom nitrogen lainnya, dan sebagai hasilnya, "gambar cermin" molekul ini diperoleh (Gbr. 8).

Kelompok yang dipimpin oleh Leo Gross yang tak kenal lelah juga menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk memulai reaksi satu molekul - mereka mengubah dibromoantrasena menjadi diyne siklik beranggota sepuluh (Gbr. 9; Kimia Alam, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Tidak seperti Kumagai et al., mereka menggunakan mikroskop tunneling pemindaian untuk mengaktifkan molekul, dan hasil reaksi dipantau menggunakan mikroskop gaya atom.

Penggunaan gabungan mikroskop tunneling pemindaian dan mikroskop kekuatan atom bahkan memungkinkan untuk mendapatkan molekul yang tidak dapat disintesis menggunakan teknik dan metode klasik ( Nanoteknologi Alam, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Segitiga ini adalah diradikal aromatik yang tidak stabil, keberadaannya diperkirakan enam dekade lalu, tetapi semua upaya sintesis tidak berhasil (Gbr. 10). Ahli kimia dari kelompok Niko Pavlicek memperoleh senyawa yang diinginkan dengan menghilangkan dua atom hidrogen dari prekursornya menggunakan STM dan mengkonfirmasi hasil sintetisnya menggunakan AFM.

Diasumsikan bahwa jumlah karya yang ditujukan untuk penerapan mikroskop gaya atom dalam kimia organik akan terus bertambah. Saat ini, semakin banyak ilmuwan yang mencoba mengulangi reaksi di permukaan, "kimia larutan" yang terkenal. Tapi mungkin ahli kimia sintetik akan mulai mereproduksi dalam larutan reaksi-reaksi yang awalnya dilakukan di permukaan menggunakan AFM.

Dari tak hidup menjadi hidup

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

Dengan demikian, Gerber berhasil mengajarkan AFM untuk menentukan titik mutasi asam ribonukleat pada melanoma (pada bahan yang diperoleh sebagai hasil biopsi). Untuk melakukan ini, kantilever emas dari mikroskop kekuatan atom dimodifikasi dengan oligonukleotida yang dapat masuk ke dalam interaksi antarmolekul dengan RNA, dan kekuatan interaksi ini masih dapat diukur karena efek piezoelektrik. Sensitivitas sensor AFM sangat tinggi sehingga sudah digunakan untuk mempelajari efektivitas metode pengeditan genom CRISPR-Cas9 yang populer. Ini menyatukan teknologi yang diciptakan oleh berbagai generasi peneliti.

Mengutip klasik dari salah satu teori politik, kita dapat mengatakan bahwa kita telah melihat kemungkinan tak terbatas dan tidak habis-habisnya mikroskop kekuatan atom dan hampir tidak dapat membayangkan apa yang ada di depan sehubungan dengan pengembangan lebih lanjut dari teknologi ini. Tetapi bahkan hari ini, mikroskop tunneling pemindaian dan mikroskop gaya atom memberi kita kesempatan untuk melihat atom dan menyentuhnya. Kita dapat mengatakan bahwa ini bukan hanya perpanjangan mata kita, yang memungkinkan kita untuk melihat ke dalam mikrokosmos atom dan molekul, tetapi juga mata baru, jari-jari baru yang dapat menyentuh mikrokosmos ini dan mengendalikannya.

Sebuah atom (dari bahasa Yunani "tidak dapat dibagi") pernah menjadi partikel terkecil dari materi berdimensi mikroskopis, bagian terkecil dari unsur kimia yang memiliki sifat-sifatnya. Konstituen atom - proton, neutron, elektron - tidak lagi memiliki sifat-sifat ini dan membentuknya bersama-sama. Atom kovalen membentuk molekul. Para ilmuwan mempelajari fitur-fitur atom, dan meskipun mereka sudah dipelajari dengan cukup baik, mereka tidak melewatkan kesempatan untuk menemukan sesuatu yang baru - khususnya, di bidang pembuatan materi baru dan atom baru (melanjutkan tabel periodik). 99,9% massa atom ada di inti.

Jangan terintimidasi oleh judulnya. Lubang hitam, yang secara tidak sengaja dibuat oleh staf National Accelerator Laboratory SLAC, ternyata hanya berukuran satu atom, jadi tidak ada yang mengancam kita. Dan nama "lubang hitam" hanya sedikit menggambarkan 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 sepenuhnya benar, dan saya bisa saja melewatkan sesuatu, tetapi analisis jawaban yang ada untuk pertanyaan serupa dan pemikiran saya sendiri berbaris seperti ini:

Ambil atom hidrogen: satu proton dan satu elektron di orbitnya.

Jari-jari atom hidrogen hanyalah jari-jari orbit elektronnya. Di alam, itu sama dengan 53 pikometer, yaitu, 53 × 10^-12 meter, tetapi kami ingin meningkatkannya menjadi 30 × 10^-2 meter - sekitar 5 miliar kali.

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

Mari kita tingkatkan proton segera seukuran kacang polong. Orbit elektron kemudian akan menjadi jari-jari lapangan sepak bola.

Proton akan menjadi daerah muatan positif. Ini terdiri dari tiga quark, yang sekitar seribu kali lebih kecil darinya - kita pasti tidak akan melihatnya. Ada pendapat bahwa jika objek hipotetis ini ditaburi dengan chip magnetik, ia akan berkumpul di sekitar pusat menjadi awan bulat.

Elektron tidak akan terlihat. Tidak ada bola yang akan terbang di sekitar inti atom, "orbit" elektron hanyalah sebuah wilayah, di berbagai titik di mana elektron dapat ditemukan dengan probabilitas yang berbeda. Anda dapat membayangkan ini sebagai bola dengan diameter stadion di sekitar kacang kami. Pada titik acak di dalam bola ini, muatan listrik negatif muncul dan langsung menghilang. Selain itu, ia melakukannya dengan sangat cepat sehingga bahkan pada saat mana pun tidak masuk akal untuk membicarakan lokasi spesifiknya ... ya, itu tidak dapat dipahami. Sederhananya, itu tidak "melihat" sama sekali.

Omong-omong, menarik bahwa dengan meningkatkan atom ke dimensi makroskopik, kami berharap untuk "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 pindah ke tingkat energi berikutnya, dapat memancarkan foton, dan seterusnya. Dengan sistem ini secara hipotetis diperbesar hingga seukuran lapangan sepak bola, terlalu banyak asumsi yang diperlukan untuk memprediksi perilaku struktur yang mustahil ini: apakah foton akan memiliki efek yang sama pada atom raksasa? Apakah perlu untuk "melihatnya" dengan membombardirnya dengan foton raksasa khusus? Apakah itu akan memancarkan foton raksasa? Semua pertanyaan ini, sebenarnya, tidak ada artinya. Saya pikir, bagaimanapun, adalah aman untuk mengatakan bahwa atom tidak akan memantulkan cahaya seperti bola logam.