In effetti, l'autore di RTCh è andato così lontano nelle sue "riflessioni" che è giunto il momento di provocare una pesante controargomentazione, vale a dire i dati di un esperimento condotto da scienziati giapponesi per fotografare l'atomo di idrogeno, divenuto noto il 4 novembre , 2010. L'immagine mostra chiaramente la forma atomica, confermando sia la discrezione che la rotondità degli atomi: “Un gruppo di scienziati e specialisti dell'Università di Tokyo ha fotografato per la prima volta al mondo un singolo atomo di idrogeno - il più leggero e il più piccolo di tutti gli atomi, riferiscono le agenzie di stampa.

La foto è stata scattata utilizzando una delle tecnologie più recenti: uno speciale microscopio elettronico a scansione. Utilizzando questo dispositivo, è stato fotografato un atomo di vanadio separato insieme a un atomo di idrogeno.
Il diametro di un atomo di idrogeno è un decimiliardesimo di metro. In precedenza si credeva che fosse quasi impossibile fotografarlo con attrezzature moderne. L'idrogeno è la sostanza più comune. La sua quota nell'intero Universo è di circa il 90%.

Secondo gli scienziati, altre particelle elementari possono essere catturate allo stesso modo. "Ora possiamo vedere tutti gli atomi che compongono il nostro mondo", ha detto il professor Yuichi Ikuhara. “Si tratta di una svolta verso nuove forme di produzione, quando in futuro sarà possibile prendere decisioni a livello di singoli atomi e molecole”.

Atomo di idrogeno, relativi colori
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Un gruppo di scienziati provenienti da Germania, Grecia, Paesi Bassi, Stati Uniti e Francia ha fotografato l'atomo di idrogeno. Queste immagini, ottenute utilizzando un microscopio a fotoionizzazione, mostrano una distribuzione della densità elettronica completamente coerente con i risultati dei calcoli teorici. Il lavoro del team internazionale è presentato sulle pagine di Physical Review Letters.

L'essenza del metodo di fotoionizzazione è la ionizzazione sequenziale degli atomi di idrogeno, cioè la rimozione di un elettrone da essi dovuta all'irradiazione elettromagnetica. Gli elettroni separati vengono diretti alla matrice sensibile attraverso un anello carico positivamente e la posizione dell'elettrone al momento della collisione con la matrice riflette la posizione dell'elettrone al momento della ionizzazione dell'atomo. L'anello carico, che devia gli elettroni lateralmente, funge da lente e con il suo aiuto l'immagine viene ingrandita milioni di volte.

Questo metodo, descritto nel 2004, era già stato utilizzato per scattare “foto” di singole molecole, ma i fisici sono andati oltre e hanno utilizzato un microscopio a fotoionizzazione per studiare gli atomi di idrogeno. Poiché l'impatto di un elettrone produce un solo punto, i ricercatori hanno accumulato circa 20mila elettroni individuali da atomi diversi e hanno compilato un'immagine media dei gusci elettronici.

Secondo le leggi della meccanica quantistica, l'elettrone in un atomo non ha alcuna posizione specifica di per sé. Solo quando un atomo interagisce con l'ambiente esterno un elettrone appare con una o l'altra probabilità in un certo quartiere del nucleo atomico: la regione in cui la probabilità di rilevare un elettrone è massima è chiamata guscio elettronico. Le nuove immagini mostrano differenze tra atomi di diversi stati energetici; Gli scienziati sono riusciti a dimostrare chiaramente la forma dei gusci di elettroni previsti dalla meccanica quantistica.

Con l'aiuto di altri dispositivi, i microscopi a effetto tunnel, i singoli atomi non solo possono essere visti, ma anche spostati nella posizione desiderata. Circa un mese fa, questa tecnica ha permesso agli ingegneri IBM di disegnare un cartone animato, ogni fotogramma del quale è composto da atomi: tali esperimenti artistici non hanno alcun effetto pratico, ma dimostrano la possibilità fondamentale di manipolare gli atomi. Per scopi applicativi non viene più utilizzato l'assemblaggio atomico, ma processi chimici con auto-organizzazione di nanostrutture o autolimitazione della crescita di strati monoatomici sul substrato.

Tuttavia, fotografare l'atomo stesso, e non solo una sua parte, sembrava essere un compito estremamente difficile anche utilizzando i dispositivi più tecnologici.

Il fatto è che secondo le leggi della meccanica quantistica è impossibile determinare con la stessa precisione tutte le proprietà di una particella subatomica. Questo ramo della fisica teorica si basa sul principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo il quale è impossibile misurare le coordinate e la quantità di moto di una particella con la stessa precisione: misurazioni accurate di una proprietà cambieranno sicuramente i dati sull'altra.

Pertanto, invece di determinare la posizione (coordinate della particella), la teoria quantistica propone di misurare la cosiddetta funzione d'onda.

La funzione d'onda funziona più o meno allo stesso modo di un'onda sonora. L'unica differenza è che la descrizione matematica di un'onda sonora determina il movimento delle molecole nell'aria in un determinato luogo e la funzione d'onda descrive la probabilità che una particella appaia in un determinato luogo secondo l'equazione di Schrödinger.

Anche misurare la funzione d'onda è difficile (le osservazioni dirette portano al suo collasso), ma i fisici teorici possono prevederne approssimativamente i valori.

È possibile misurare sperimentalmente tutti i parametri della funzione d'onda solo se vengono raccolti da misurazioni distruttive separate effettuate su sistemi di atomi o molecole completamente identici.

I fisici dell'istituto di ricerca olandese AMOLF hanno presentato un nuovo metodo che non richiede alcuna “ristrutturazione” e hanno pubblicato i risultati del loro lavoro sulla rivista Physical Review Letters. La loro tecnica si basa su un'ipotesi del 1981 di tre fisici teorici sovietici, nonché su ricerche più recenti.

Durante l'esperimento, un team di scienziati ha diretto due raggi laser sugli atomi di idrogeno posti in una camera speciale. Come risultato di questo impatto, gli elettroni lasciarono le loro orbite alla velocità e alla direzione determinate dalle loro funzioni d'onda. Il forte campo elettrico nella camera contenente gli atomi di idrogeno dirigeva gli elettroni verso parti specifiche del rilevatore planare (piatto).

La posizione degli elettroni che colpivano il rivelatore era determinata dalla loro velocità iniziale, non dalla loro posizione nella camera. Pertanto, la distribuzione degli elettroni sul rilevatore ha rivelato agli scienziati la funzione d'onda che avevano queste particelle quando lasciavano l'orbita attorno al nucleo di un atomo di idrogeno.

I movimenti degli elettroni sono stati visualizzati su uno schermo fosforescente sotto forma di anelli scuri e luminosi, che gli scienziati hanno fotografato con una fotocamera digitale ad alta risoluzione.

"Siamo molto soddisfatti dei nostri risultati. La meccanica quantistica ha così poco a che fare con la vita di tutti i giorni che è improbabile che qualcuno avrebbe pensato di ottenere una fotografia reale delle interazioni quantistiche in un atomo", afferma l'autrice principale Aneta Stodolna. Afferma inoltre che la tecnica sviluppata può anche avere applicazioni pratiche, ad esempio, per creare conduttori sottili come un atomo, lo sviluppo della tecnologia dei fili molecolari, che migliorerà significativamente i moderni dispositivi elettronici.

“È interessante notare che l'esperimento è stato condotto specificamente sull'idrogeno, allo stesso tempo la sostanza più semplice e più comune nel nostro Universo. Sarà necessario capire se questa tecnica può essere applicata ad atomi più complessi è un grande passo avanti che ci permetterà di sviluppare non solo l’elettronica, ma anche la nanotecnologia”, afferma Jeff Lundeen dell’Università di Ottawa, che non è stato coinvolto nello studio.

Tuttavia, gli stessi scienziati che hanno condotto l'esperimento non pensano al lato pratico della questione. Credono che la loro scoperta riguardi principalmente la scienza fondamentale, che aiuterà a trasmettere più conoscenze alle future generazioni di fisici.

Trurl iniziò a catturare gli atomi, raschiare via gli elettroni, impastare i protoni finché solo le sue dita tremolarono, preparò un impasto protonico, dispose gli elettroni attorno ad esso e - per l'atomo successivo; Non erano passati nemmeno cinque minuti che si trovò tra le mani un blocco d'oro puro: se lo porse al muso, e lei, dopo aver provato il blocco sul dente e annuito con la testa, disse:
- E in effetti è oro, ma non posso inseguire gli atomi in quel modo. Sono troppo grande.
- Va bene, ti regaliamo un dispositivo speciale! - Trurl lo ha convinto.

Stanislaw Lem, Cyberiade

È possibile, usando un microscopio, vedere un atomo, distinguerlo da un altro atomo, osservare la distruzione o la formazione di un legame chimico e vedere come una molecola si trasforma in un'altra? Sì, se non si tratta di un semplice microscopio, ma di uno a forza atomica. E non devi limitarti all’osservazione. Viviamo in un’epoca in cui il microscopio a forza atomica non è più solo una finestra sul micromondo. Oggi lo strumento può essere utilizzato per spostare atomi, rompere legami chimici, studiare il limite di allungamento di singole molecole e persino studiare il genoma umano.

Lettere realizzate con pixel allo xeno

Osservare gli atomi non è sempre stato così facile. La storia del microscopio a forza atomica inizia nel 1979, quando Gerd Karl Binnig e Heinrich Rohrer, lavorando presso il Centro di ricerca IBM di Zurigo, iniziarono a creare uno strumento che permettesse lo studio delle superfici a risoluzione atomica. Per realizzare un dispositivo del genere, i ricercatori hanno deciso di utilizzare l'effetto tunnel, la capacità degli elettroni di superare barriere apparentemente impenetrabili. L'idea era di determinare la posizione degli atomi nel campione misurando l'intensità della corrente tunnel che si forma tra la sonda di scansione e la superficie studiata.

Binnig e Rohrer ci riuscirono e passarono alla storia come gli inventori del microscopio a effetto tunnel (STM) e nel 1986 ricevettero il Premio Nobel per la fisica. Il microscopio a effetto tunnel ha rivoluzionato la fisica e la chimica.

Nel 1990, Don Eigler ed Erhard Schweitzer, lavorando presso il Centro di ricerca IBM in California, hanno dimostrato che la STM può essere utilizzata non solo per osservare gli atomi, ma anche per manipolarli. Utilizzando una sonda per microscopio a effetto tunnel, hanno creato forse l'immagine più popolare che simboleggia la transizione dei chimici al lavoro con i singoli atomi: hanno dipinto tre lettere su una superficie di nichel con 35 atomi di xeno (Fig. 1).

Binnig non si adagiò sugli allori: nell'anno in cui ricevette il Premio Nobel, insieme a Christopher Gerber e Kelvin Quaite, che lavorarono anche presso il Centro di ricerca IBM di Zurigo, iniziò a lavorare su un altro dispositivo per lo studio del micromondo, privo degli svantaggi inerente alla STM. Il fatto è che con l'aiuto di un microscopio a effetto tunnel era impossibile studiare le superfici dielettriche, ma solo conduttori e semiconduttori, e per analizzare questi ultimi era necessario creare un vuoto significativo tra loro e la sonda del microscopio. Rendendosi conto che creare un nuovo dispositivo era più semplice che aggiornarne uno esistente, Binnig, Gerber e Quaite inventarono il microscopio a forza atomica, o AFM. Il principio del suo funzionamento è radicalmente diverso: per ottenere informazioni sulla superficie, non misurano la forza attuale che si crea tra la sonda del microscopio e il campione studiato, ma il valore delle forze attrattive che si creano tra loro, cioè deboli interazioni non chimiche - forze di van der Waals.

Il primo modello funzionante di AFM era relativamente semplice. I ricercatori hanno spostato una sonda di diamante sulla superficie del campione, collegata a un sensore micromeccanico flessibile - un cantilever fatto di lamina d'oro (l'attrazione si forma tra la sonda e l'atomo, il cantilever si piega a seconda della forza di attrazione e deforma il piezoelettrico) . Il grado di flessione del cantilever è stato determinato utilizzando sensori piezoelettrici, in modo simile a come i solchi e le creste di un disco in vinile vengono convertiti in una registrazione audio. Il design del microscopio a forza atomica ha consentito di rilevare forze attrattive fino a 10-18 newton. Un anno dopo aver creato un prototipo funzionante, i ricercatori sono riusciti a ottenere un’immagine della topografia della superficie di grafite con una risoluzione di 2,5 Angstrom.

Nel corso dei tre decenni trascorsi da allora, l'AFM è stata utilizzata per studiare quasi tutti gli oggetti chimici: dalla superficie di un materiale ceramico alle cellule viventi e alle singole molecole, sia in uno stato statico che dinamico. La microscopia a forza atomica è diventata il cavallo di battaglia di chimici e scienziati dei materiali e il numero di studi che utilizzano questo metodo è in costante crescita (Fig. 2).

Nel corso degli anni, i ricercatori hanno selezionato le condizioni per lo studio sia a contatto che senza contatto degli oggetti utilizzando la microscopia a forza atomica. Il metodo di contatto è descritto sopra e si basa sull'interazione di van der Waals tra il cantilever e la superficie. Quando si opera in modalità senza contatto, il vibratore piezoelettrico eccita le oscillazioni della sonda ad una certa frequenza (molto spesso risonante). La forza che agisce dalla superficie fa sì che cambino sia l'ampiezza che la fase delle oscillazioni della sonda. Nonostante alcuni svantaggi del metodo senza contatto (principalmente la sensibilità al rumore esterno), elimina l'influenza della sonda sull'oggetto in studio e quindi è più interessante per i chimici.

Vivace nelle indagini, alla ricerca di connessioni

La microscopia a forza atomica è diventata senza contatto nel 1998 grazie al lavoro dello studente di Binnig, Franz Josef Gissibl. Fu lui a proporre di utilizzare come cantilever un oscillatore di riferimento al quarzo con frequenza stabile. 11 anni dopo, i ricercatori del laboratorio IBM di Zurigo hanno apportato un'altra modifica all'AFM senza contatto: il ruolo della sonda sensore non è stato svolto da un affilato cristallo di diamante, ma da una singola molecola: il monossido di carbonio. Ciò ha reso possibile il passaggio alla risoluzione subatomica, come dimostrato da Leo Gross del dipartimento IBM di Zurigo. Nel 2009, utilizzando l'AFM, ha reso visibili non gli atomi, ma i legami chimici, ottenendo un "quadro" abbastanza chiaro e leggibile in modo inequivocabile per la molecola di pentacene (Fig. 3; Scienza, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).

Convinto che i legami chimici potessero essere osservati utilizzando l'AFM, Leo Gross ha deciso di andare oltre e utilizzare un microscopio a forza atomica per misurare le lunghezze e gli ordini dei legami, parametri chiave per comprendere la struttura chimica e quindi le proprietà delle sostanze.

Ricordiamo che le differenze nell'ordine dei legami indicano diverse densità elettroniche e diverse distanze interatomiche tra due atomi (in parole povere, un doppio legame è più corto di un legame singolo). Nell'etano l'ordine dei legami carbonio-carbonio è uno, nell'etilene è due, e nella classica molecola aromatica del benzene l'ordine dei legami carbonio-carbonio è maggiore di uno ma inferiore a due, ed è considerato 1,5.

Determinare l'ordine dei legami è molto più difficile quando si passa da sistemi aromatici semplici a sistemi ciclici policondensati planari o sfusi. Pertanto, l'ordine dei legami nei fullereni, costituiti da anelli di carbonio condensati a cinque e sei membri, può assumere qualsiasi valore da uno a due. La stessa incertezza è teoricamente inerente ai composti aromatici policiclici.

Nel 2012, Leo Gross, insieme a Fabian Mohn, ha dimostrato che un microscopio a forza atomica con una sonda metallica senza contatto modificata con monossido di carbonio può misurare le differenze nella distribuzione della carica degli atomi e le distanze interatomiche, ovvero i parametri associati all'ordine dei legami ( Scienza, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).

Per fare questo, hanno studiato due tipi di legami chimici nel fullerene: un legame carbonio-carbonio, comune ai due anelli contenenti carbonio a sei membri del fullerene C60, e un legame carbonio-carbonio, comune ai cinque e sei atomi. Anelli monomembri. Un microscopio a forza atomica ha dimostrato che la condensazione di anelli a sei membri produce un legame che è più corto e di ordine maggiore rispetto alla condensazione dei frammenti ciclici C 6 e C 5 . Lo studio delle caratteristiche del legame chimico nell'esabenzocoronene, dove altri sei anelli C 6 sono disposti simmetricamente attorno all'anello centrale C 6, ha confermato i risultati della modellazione chimica quantistica, secondo la quale l'ordine dei legami C-C dell'anello centrale (in Fig. 4, la lettera io) deve essere maggiore dei legami che collegano questo anello con i cicli periferici (in Fig. 4 la lettera J). Risultati simili sono stati ottenuti per un idrocarburo policiclico aromatico più complesso contenente nove anelli a sei membri.

Gli ordini di legame e le distanze interatomiche interessavano, ovviamente, i chimici organici, ma erano più importanti per coloro che studiavano la teoria dei legami chimici, prevedendo la reattività e studiando i meccanismi delle reazioni chimiche. Tuttavia, sia i chimici di sintesi che gli specialisti nello studio della struttura dei composti naturali hanno avuto una sorpresa: si è scoperto che il microscopio a forza atomica può essere utilizzato per determinare la struttura delle molecole allo stesso modo della spettroscopia NMR o IR. Inoltre, fornisce una risposta chiara alle domande che questi metodi non sono in grado di gestire.

Dalla fotografia al cinema

Nel 2010, gli stessi Leo Gross e Rainer Ebel sono riusciti a stabilire in modo inequivocabile la struttura di un composto naturale: il cefalandolo A, isolato da un batterio Dermacoccus abyssi(Chimica della natura, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). La composizione del cefalandolo A era stata precedentemente stabilita mediante spettrometria di massa, ma l'analisi degli spettri NMR di questo composto non ha dato una risposta chiara alla domanda sulla sua struttura: erano possibili quattro opzioni. Utilizzando un microscopio a forza atomica, i ricercatori hanno immediatamente eliminato due delle quattro strutture e hanno fatto la scelta corretta delle restanti due confrontando i risultati ottenuti utilizzando l'AFM e la modellazione chimica quantistica. Il compito si è rivelato difficile: a differenza del pentacene, del fullerene e dei coroneni, il cefalandolo A contiene non solo atomi di carbonio e idrogeno, inoltre, questa molecola non ha un piano di simmetria (Fig. 5) - ma anche questo problema è stato risolto.

Un'ulteriore conferma che il microscopio a forza atomica può essere utilizzato come strumento analitico fu ottenuta dal gruppo di Oscar Kustanza, che a quel tempo lavorava presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Osaka. Ha mostrato come utilizzare l'AFM per distinguere gli atomi che differiscono tra loro molto meno del carbonio e dell'idrogeno ( Natura, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustants esaminò la superficie di una lega composta da silicio, stagno e piombo con un contenuto noto di ciascun elemento. Come risultato di numerosi esperimenti, ha scoperto che la forza generata tra la punta della sonda AFM e atomi diversi è diversa (Fig. 6). Ad esempio, l'interazione più forte è stata osservata durante il sondaggio del silicio, mentre l'interazione più debole è stata osservata durante il sondaggio del piombo.

Si presume che in futuro i risultati della microscopia a forza atomica per il riconoscimento dei singoli atomi verranno elaborati allo stesso modo dei risultati NMR, confrontando i valori relativi. Poiché l'esatta composizione della punta del sensore è difficile da controllare, il valore assoluto della forza tra il sensore e i vari atomi di superficie dipende dalle condizioni sperimentali e dalla marca del dispositivo, ma il rapporto tra queste forze per qualsiasi composizione e forma del il sensore rimane costante per ciascun elemento chimico.

Nel 2013 sono apparsi i primi esempi di utilizzo dell'AFM per ottenere immagini di singole molecole prima e dopo le reazioni chimiche: viene creato un "set fotografico" di prodotti e intermedi della reazione, che può poi essere montato in una sorta di film documentario ( Scienza, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187 ).

Felix Fischer e Michael Crommie dell'Università della California a Berkeley hanno applicato l'argento sulla superficie 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzene, hanno ripreso le molecole e riscaldato la superficie per avviare la ciclizzazione. La metà delle molecole originali si è trasformata in strutture aromatiche policicliche costituite da cinque anelli a sei membri e due anelli a cinque membri fusi. Un altro quarto delle molecole formava strutture costituite da quattro anelli a sei membri collegati tramite un anello a quattro membri e due anelli a cinque membri (Fig. 7). I restanti prodotti erano strutture oligomeriche e, in quantità minori, isomeri policiclici.

Questi risultati hanno sorpreso i ricercatori due volte. Innanzitutto, durante la reazione si sono formati solo due prodotti principali. In secondo luogo, la loro struttura era sorprendente. Fisher osserva che l'intuizione e l'esperienza chimica hanno permesso di disegnare decine di possibili prodotti di reazione, ma nessuno di essi corrispondeva ai composti che si formavano sulla superficie. È possibile che il verificarsi di processi chimici atipici sia stato facilitato dall'interazione delle sostanze di partenza con il substrato.

Naturalmente, dopo i primi seri successi nello studio dei legami chimici, alcuni ricercatori hanno deciso di utilizzare l'AFM per osservare le interazioni intermolecolari più deboli e meno studiate, in particolare i legami idrogeno. Tuttavia, il lavoro in questo settore è appena iniziato e i risultati sono contraddittori. Pertanto, alcune pubblicazioni riportano che la microscopia a forza atomica ha reso possibile osservare i legami idrogeno ( Scienza, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), altri sostengono che si tratti solo di artefatti dovuti alle caratteristiche di progettazione del dispositivo e che i risultati sperimentali debbano essere interpretati con maggiore attenzione ( Lettere di revisione fisica, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Forse la risposta definitiva alla domanda se l'idrogeno e altre interazioni intermolecolari possano essere osservate utilizzando la microscopia a forza atomica sarà ottenuta già in questo decennio. Per fare ciò, è necessario aumentare la risoluzione AFM almeno molte volte di più e imparare a ottenere immagini senza interferenze ( Revisione fisica B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).

Sintesi di singole molecole

In mani esperte, sia STM che AFM si trasformano da dispositivi in ​​grado di studiare la materia in dispositivi in ​​grado di modificare intenzionalmente la struttura della materia. Con l'aiuto di questi dispositivi è già stato possibile ottenere "i più piccoli laboratori chimici", in cui al posto di un pallone viene utilizzato un substrato e al posto di moli o millimoli di sostanze reagenti vengono utilizzate singole molecole.

Ad esempio, nel 2016, un team internazionale di scienziati guidati da Takashi Kumagai ha utilizzato la microscopia a forza atomica senza contatto per convertire la molecola di porcene da una forma all’altra ( Chimica della natura, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Il porficene può essere considerato una modifica della porfirina, il cui anello interno contiene quattro atomi di azoto e due atomi di idrogeno. Le vibrazioni della sonda AFM hanno trasferito energia sufficiente alla molecola di porcene per trasferire questi idrogeni da un atomo di azoto a un altro, e il risultato è stato una “immagine speculare” di questa molecola (Fig. 8).

Il team, guidato dall'infaticabile Leo Gross, ha anche dimostrato che era possibile avviare la reazione di una singola molecola: hanno convertito il dibromomantracene in un diino ciclico a dieci membri (Fig. 9; Chimica della natura, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300 ). A differenza di Kumagai et al., hanno utilizzato un microscopio a effetto tunnel per attivare la molecola e il risultato della reazione è stato monitorato utilizzando un microscopio a forza atomica.

L'uso combinato di un microscopio a effetto tunnel e di un microscopio a forza atomica ha permesso addirittura di ottenere una molecola che non può essere sintetizzata utilizzando tecniche e metodi classici ( Natura Nanotecnologia, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305 ). Si tratta del triangulene, un diradicale aromatico instabile la cui esistenza era stata prevista sei decenni fa, ma tutti i tentativi di sintesi fallirono (Fig. 10). I chimici del gruppo di Niko Pavlicek hanno ottenuto il composto desiderato rimuovendo due atomi di idrogeno dal suo precursore utilizzando STM e confermando il risultato sintetico utilizzando AFM.

Si prevede che il numero di lavori dedicati all'uso della microscopia a forza atomica in chimica organica continuerà a crescere. Attualmente, sempre più scienziati stanno cercando di replicare sulla superficie le reazioni ben note nella “chimica delle soluzioni”. Ma forse i chimici sintetici inizieranno a riprodurre in soluzione le reazioni originariamente effettuate sulla superficie utilizzando l’AFM.

Dal non vivente al vivente

I cantilever e le sonde dei microscopi a forza atomica possono essere utilizzati non solo per studi analitici o per la sintesi di molecole esotiche, ma anche per risolvere problemi applicativi. Esistono già casi noti di utilizzo dell'AFM in medicina, ad esempio, per la diagnosi precoce del cancro, e qui il pioniere è lo stesso Christopher Gerber, che ha contribuito allo sviluppo del principio della microscopia a forza atomica e alla creazione dell'AFM.

Pertanto, Gerber è stato in grado di insegnare all'AFM a rilevare mutazioni puntiformi nell'acido ribonucleico nel melanoma (su materiale ottenuto a seguito di una biopsia). A tale scopo, il cantilever d'oro di un microscopio a forza atomica è stato modificato con oligonucleotidi che possono entrare in interazione intermolecolare con l'RNA e la forza di questa interazione può essere misurata anche grazie all'effetto piezoelettrico. La sensibilità del sensore AFM è così elevata che stanno già cercando di utilizzarlo per studiare l’efficacia del popolare metodo di modifica del genoma CRISPR-Cas9. Qui si incontrano le tecnologie create da diverse generazioni di ricercatori.

Parafrasando un classico di una delle teorie politiche, possiamo dire che già vediamo le possibilità illimitate e l'inesauribilità della microscopia a forza atomica e difficilmente riusciamo a immaginare cosa ci aspetta in relazione all'ulteriore sviluppo di queste tecnologie. Ma oggi, i microscopi a scansione a effetto tunnel e i microscopi a forza atomica ci danno l’opportunità di vedere e toccare gli atomi. Possiamo dire che non si tratta solo di un'estensione dei nostri occhi, che ci permette di guardare nel microcosmo di atomi e molecole, ma anche di nuovi occhi, nuove dita, capaci di toccare e controllare questo microcosmo.

Un atomo (dal greco “indivisibile”) è un tempo la particella più piccola di una sostanza di dimensioni microscopiche, la parte più piccola di un elemento chimico che ne porta le proprietà. I componenti di un atomo - protoni, neutroni, elettroni - non hanno più queste proprietà e le formano insieme. Gli atomi covalenti formano molecole. Gli scienziati studiano le caratteristiche dell'atomo e, sebbene siano già abbastanza ben studiate, non perdono l'opportunità di trovare qualcosa di nuovo, in particolare nel campo della creazione di nuovi materiali e nuovi atomi (continuando la tavola periodica). Il nucleo contiene il 99,9% della massa di un atomo.

Non lasciarti scoraggiare dal titolo. Il buco nero, creato accidentalmente dai dipendenti dello SLAC National Accelerator Laboratory, si è rivelato grande solo un atomo, quindi nulla ci minaccia. E il nome “buco nero” descrive solo lontanamente il fenomeno osservato dai ricercatori. Vi abbiamo più volte parlato del laser a raggi X più potente al mondo, chiamato

Proviamolo. Non penso che tutto ciò che è scritto di seguito sia completamente giusto, e potrei benissimo essermi perso qualcosa, ma l'analisi delle risposte esistenti a domande simili e i miei pensieri si sono allineati in questo modo:

Prendiamo un atomo di idrogeno: un protone e un elettrone nella sua orbita.

Il raggio di un atomo di idrogeno è esattamente il raggio dell'orbita del suo elettrone. In natura è pari a 53 picometri, cioè 53 × 10^-12 metri, ma noi vogliamo aumentarlo a 30 × 10^-2 metri - circa 5 miliardi di volte.

Il diametro di un protone (cioè il nostro nucleo atomico) è 1,75 × 10^−15 m. Se lo aumentiamo alla dimensione desiderata, sarà 1 × 10^−5 metri, cioè un centesimo di. un millimetro. È indistinguibile ad occhio nudo.

Aumentiamo invece il protone fino alle dimensioni di un pisello. L'orbita dell'elettrone sarà quindi il raggio di un campo di calcio.

Il protone rappresenterà un'area di carica positiva. È composto da tre quark, che sono circa mille volte più piccoli di lui: sicuramente non li vedremo. C'è un'opinione secondo cui se si cospargono trucioli magnetici su questo ipotetico oggetto, si raccoglierà attorno al centro in una nuvola sferica.

L'elettrone non sarà visibile. Nessuna pallina volerà attorno al nucleo atomico; l'“orbita” di un elettrone è solo una regione in diversi punti in cui l'elettrone può trovarsi con probabilità diverse. Possiamo immaginarlo come una sfera del diametro di uno stadio attorno al nostro pisello. In punti casuali all'interno di questa sfera si forma una carica elettrica negativa che scompare istantaneamente. Inoltre, lo fa così velocemente che anche in un dato momento non ha senso parlare della sua posizione specifica... sì, è incomprensibile. In poche parole, non "sembra" niente.

È interessante, a proposito, che ingrandendo un atomo a dimensioni macroscopiche, speriamo di “vederlo”, cioè di rilevare la luce riflessa da esso. Infatti gli atomi di dimensioni ordinarie non riflettono la luce; su scala atomica si parla di interazioni tra elettroni e fotoni. Un elettrone può assorbire un fotone e spostarsi al livello energetico successivo, può emetterne uno e così via. Ipoteticamente ridimensionare questo sistema fino alle dimensioni di un campo da calcio richiederebbe troppe ipotesi per prevedere il comportamento di questa struttura impossibile: un fotone avrebbe lo stesso effetto su un atomo gigante? Bisogna “guardarlo” bombardandolo con speciali fotoni giganti? Emetterà fotoni giganti? Tutte queste domande, in senso stretto, non hanno senso. Penso, tuttavia, che si possa affermare con certezza che l'atomo non rifletterà la luce come farebbe una palla di metallo.