Bardziej stromy niż mikroskop: jak skanować topografię cząsteczki

Mówią: „pieniądze kochają ciszę”, i prawdopodobnie Szwajcaria jest jedną z najlepszych ilustracji do tej tezy. Cisza, wytrwałość i bogactwo panują na brzegach Jeziora Zuryskiego, gdzie pośród malowniczych gór żyje przeważnie bardzo zamożna część ludzkości. Interesujące jest jednak to, że to samo otoczenie jest idealnie (sądząc po wynikach) odpowiednie dla dużej nauki. Tutaj, w Zurychu, w regionie Rüschlikon od połowy lat 50. ubiegłego wieku, zlokalizowano jedno z jedenastu dotychczasowych laboratoriów IBM.

Pomimo faktu, że nazwa korporacji jest silnie związana z większością komputerów, międzynarodowy zespół naukowy Z? bogate IBM Research prowadzi badania w różnych obszarach, w tym związanych z podstawowymi podstawami bytu.

To właśnie mikroskop sił atomowych umożliwił po raz pierwszy „po omacku” uwolnienie cząsteczek chemicznych i uzyskanie wyraźnego obrazu ich struktury. AFM bada teraz wiązania atomowe, a także rozkład ładunku i inne procesy wewnątrzcząsteczkowe.

Kompleks malowanych na biało niskich budynków, elegancki, ale bezpretensjonalny wystrój wnętrz, podłogi w piwnicach dla laboratoriów, w których sprzęt kocha ciszę nawet bardziej niż pieniądze w szwajcarskich bankach. Nawiasem mówiąc, laboratoria nie sprawiają wrażenia, że ​​są bardzo przestronne - brakuje miejsca na spacery. Na początku trudno było uwierzyć, że właśnie w takich warunkach osiąga się wielką naukę.

Nigdy więcej pięści

Oto laboratorium, w którym używają mikroskopii niskotemperaturowej przy użyciu skaningowego tunelowania (STM) i mikroskopów sił atomowych (AFM), bardzo małe. Ale to właśnie tutaj, w tych ścianach, po raz pierwszy udało nam się uzyskać wyraźny obraz struktury chemicznej cząsteczki. Zostało to ogłoszone jesienią 2009 roku, a następnie publiczności przedstawiono wyraźny obraz cząsteczki pentacenu - związku organicznego, w strukturze molekularnej, którego jest pięć heksagonalnych pierścieni benzenowych, które oczywiście wyglądały bardzo spektakularnie.

Schemat pokazuje urządzenie jednego z rodzajów mikroskopu sił atomowych do badania żywych tkanek

W rzeczywistości atomy można było zobaczyć za pomocą potężnych mikroskopów elektronowych, problemem zawsze było to, że nie można było naprawić wiązań międzyatomowych - są one zbyt słabe. Za pomocą AFM problem został rozwiązany.

Laboratorium jest wyposażone pod ziemią - prawie nie występują drgania gruntu i budynku. To, co pokazano nam jako mikroskop, to zespół jednej kulistej i dwóch cylindrycznych komór - wszystkie o wysokości półtora metra. „W rzeczywistości sam mikroskop wcale nie jest taki duży”, wyjaśnia personel laboratorium. „Jest wielkości ludzkiej pięści”. Reszta projektu służy do wykonania trzech zadań. Po pierwsze, powierzchnie, na których badane są próbki, wymagają ultra-czystości i tę czystość należy utrzymywać podczas wieloletnich eksperymentów. Aby to zrobić, za pomocą pompy w komorze, w której umieszczony jest mikroskop, powstaje wysoka próżnia.

Po drugie, cząsteczki będące przedmiotem badań wykazują gwałtowne fluktuacje w temperaturze pokojowej, a aby „uspokoić” lek, konieczne jest schłodzenie komory do niemal absolutnego zera (5 K, minus 268 ° C). Aby to zrobić, użyj ciekłego helu zawartego w chromowanym cylindrze. Po trzecie, ponieważ pewne fałszywe wibracje są nadal obecne w pomieszczeniu laboratoryjnym, w komorze znajduje się specjalny układ zawieszenia mikroskopu, który tłumi te wibracje.

Czujemy tlenek węgla

W ścianach laboratorium IBM w Zurychu stworzono dwa typy skanujących mikroskopów z sondą skanującą - STM i AFM, a założycielami tych rozwiązań zostali Niemcy Gerd Karl Binnig i Szwajcar Heinrich Rohrer, którzy otrzymali Nagrodę Nobla w 1986 roku. Jeśli mikroskop optyczny działa ze światłem odbijanym od obiektu, a mikroskop elektronowy „oświetla” go strumieniem elektronów, wówczas w przypadku skanujących mikroskopów sondujących dzieje się coś innego. Sonda AFM, która jest ruchomą dźwignią (wspornikiem) z igłą (mikroskopijny stożek, ostra część skierowana w stronę przedmiotu badań), jakby odczuwa strukturę atomów i cząsteczek, tak jak niewidoma osoba czyta wypukłości Braille'a.

Igła, doświadczając sił interakcji z atomami z powodu bardzo małej odległości, odczytuje relief powierzchni, co prowadzi do wibracji wspornika. Są one z kolei rejestrowane na przykład przez czujnik laserowy, którego dane są konwertowane na obraz.

Jeśli mówimy o skaningowym mikroskopie tunelowym, wówczas na igłę sondy przykładane jest napięcie, a relief powierzchni jest odczytywany ze względu na zmianę parametrów prądu przepływającego między igłą a badanym lekiem w wyniku kwantowego tunelowania. Wielkość prądu zależy w szczególności od gęstości w tym punkcie próbki testowej, na który jest skierowana igła sondy.

Jednocześnie cały proces nie jest błyskawiczny - skanowanie obiektu może potrwać do 20 godzin. Ponadto technologia wymaga precyzyjnego systemu zamiatania, a co ważne, końcówka sondy zbliża się do wielkości badanego obiektu. Idealnie, ta wskazówka powinna składać się z pojedynczej cząsteczki i właśnie to udało się IBM osiągnąć.

I zaczęło się tak: próby zeskanowania wspomnianej już cząsteczki pentacenu za pomocą AFM zakończyły się tym, że siła elektrostatyczna i siła van der Waalsa powstająca między igłą a próbką zniszczyła cząsteczkę. Wtedy możliwe było pobranie za pomocą igły jednej cząsteczki tlenku węgla (CO), znanej w życiu codziennym jako „tlenek węgla”, która stała się prawdziwą „końcówką”. Ze względu na właściwości obu cząsteczek kompensowano wpływ sił uniemożliwiających skanowanie.

Tak więc cząsteczkę pentacenu skanowano z bardzo wysoką rozdzielczością. Tutaj jednak istnieje również pewne ograniczenie tej metody - ponieważ sztuczka z cząsteczką tlenku węgla nie zadziała, jeśli cząsteczka leku ma inny skład, to znaczy za każdym razem, gdy trzeba szukać rozwiązania.

W celu precyzyjnego pozycjonowania próbki o wymiarach w skali nano brytyjska instalacja wykorzystuje komorę ultrawysokiej próżni i cztery mikroskopy tunelujące. Maszyna przeznaczona jest do opracowywania, montażu, testowania i naprawy struktur nanomechanicznych, to znaczy ma raczej wartość naukową, ale naukową i użytkową.

Pożegnanie z krzemem

Ale to wszystko jest wczoraj. Już w zeszłym roku naukowcy IBM zbadali za pomocą AFM cząsteczkę nanografiny i otrzymali nie tylko obraz struktury, ale także wyraźny obraz i porządek wiązań atomowych wewnątrz cząsteczki. Okazało się, że wiązania te różnią się nie tylko siłą, ale także mają różne długości. Badanie AFM obejmowało również cząsteczkę bucksminsterfullerenu, alotropowego 60-atomowego związku węgla w kształcie kuli i przypominającego kulki geodezyjne i kopuły wynalezione przez amerykańskiego architekta Buckminstera Fullera. We wszystkich tych badaniach wykorzystano również igłę sondy z cząsteczką tlenku węgla jako końcówką.

W tunelowym mikroskopie skaningowym igła sondy przesuwa się nad próbką w przybliżeniu o tej samej średnicy atomowej. Pomiędzy końcem igły (na którą przykładane jest napięcie) a powierzchnią próbki powstaje strumień elektronów - prąd tunelowy. Skaningowy mikroskop tunelowy otworzył dla ludzi wszechświat płaskorzeźb nanoworldów, a jego twórcy otrzymali Nagrodę Nobla.

Oczywiście eksperymenty z mikroskopami sondującymi, o ile są prowadzone w ścianach laboratoriów IBM, mają jednak pewien związek z perspektywami branży komputerowej. Faktem jest, że nowe materiały na bazie węgla, w szczególności grafen, są uważane za przyszły zamiennik krzemu dla przyszłych układów elektronicznych.

W związku z tym szczególne znaczenie ma opracowanie metod manipulacji takimi materiałami na poziomie praktycznie atomowym. Nawiasem mówiąc, w 2012 r. IBM ogłosił utworzenie pamięci magnetycznej, której jeden bit będzie miał podstawę materialną w postaci zaledwie 12 atomów. To prawda, że ​​taki zespół ma dziś charakter czysto eksperymentalny i pracował w ultraniskich temperaturach przy użyciu mikroskopu sondy.

Jeśli wybrzuszenie pojawi się na powierzchni, odległość do igły zmniejsza się, prąd wzrasta, a aby doprowadzić go do określonego poziomu i utrzymać określoną odległość, igła przesuwa się w górę. Te ruchy przypominające fale składają się na obraz reliefowy 3D.

Dlatego trudno jest oczekiwać, że pamięć 12-atomowa może pojawić się w urządzeniach aplikacyjnych w dającej się przewidzieć przyszłości. Czy można przechowywać informacje za pomocą tylko jednego atomu? Teoretycznie taka możliwość istnieje.

Złoto z przewodnikiem

Tunelowy mikroskop skaningowy nie pozwala na uzyskanie tak drobnych skanów cząsteczek jak AFM, ale jego zaletą jest możliwość aktywnego wpływu na cząsteczkę leku. W laboratorium IBM w Zurychu pokazano wyniki eksperymentu z manipulacją jednym atomem. Zaadsorbowane atomy złota (czyli atomy umieszczone na krystalicznej powierzchni, do których nie mogą się rozproszyć) znajdują się na cienkiej warstwie chlorku sodu (chlorku sodu), która z kolei wyściela podszewkę miedzi. Wszystkie atomy na zdjęciu wyglądają jak jasne kółka na szarym tle.

Teraz igła sondy jest doprowadzana do jednego atomu i przykładane jest napięcie. Atomy są skanowane ponownie, a wynikowy obraz wyraźnie pokazuje, że ten, który został poddany manipulacji, otrzymał wyraźnie widoczny ciemny halo. Co sie stalo

Atom, który był wcześniej neutralny, otrzymał dodatkowy mikroskop z mikroskopem, a wraz z nim ładunek ujemny. „W tym stanie” - wyjaśnia pracownik laboratorium IBM - „atom w zasadzie może być nieskończenie długi. Ale nic nie stoi na przeszkodzie, aby użyć tego samego mikroskopu do przywrócenia go do stanu neutralnego ”. A jeśli możemy kontrolować dwa stany określonego obiektu, zmieniając jeden stan na inny w dowolnym momencie i z własnej woli, to co to jest, jeśli nie gotowa komórka logiczna o pojemności jednego bitu?

Artykuł „Przestrzeń na igle” został opublikowany w czasopiśmie Popular Mechanics (nr 1, styczeń 2013).

Zalecane

8 niesamowitych rekordów świata
2019
Pod hipnozą: prawda i mity o hipnozie
2019
Dope Abundance: Eat - Don't Want To!
2019