По-стръмен от микроскоп: как да сканирате топографията на молекула

Казват: „парите обичат тишината“ и вероятно Швейцария е една от най-добрите илюстрации за тази теза. Тишината, премереността и богатството преобладават по бреговете на езерото Цюрих, където насред живописните планини живее до голяма степен богата част от човечеството. Интересно е обаче, че същата обстановка е перфектно (съдейки по резултатите) подходяща за голяма наука. Тук, в Цюрих, в района Рюсликон от средата на 50-те години на миналия век, се намира една от единадесетте лаборатории на IBM до момента.

Въпреки факта, че името на корпорацията е силно свързано с по-голямата част от компютрите, многонационалният научен екип Z? богатото IBM Research провежда изследвания в различни области, включително тези, свързани с основните основи на битието.

Именно атомно-силовият микроскоп даде възможност за пръв път да „опипа“ релефа на химичните молекули и да получи ясно изображение на тяхната структура. Сега AFM изучава атомните връзки, както и разпределението на заряда и други вътремолекулни процеси.

Комплекс от бели боядисани нискоетажни сгради, елегантен, но непретенциозен интериорен дизайн, сутеренни етажи за лаборатории, където оборудването обича тишината дори повече от парите в швейцарски банки. Между другото, лабораториите не създават впечатление, че са много просторни - няма достатъчно свободно място за разходки. Отначало беше трудно да се повярва, че именно при такива условия се осъществява великата наука.

Няма повече юмрук

Ето една лаборатория, където използват нискотемпературна микроскопия, използвайки сканиращи тунели (STM) и атомни сили (AFM) микроскопи, много мънички. Но точно тук, в тези стени, за първи път беше възможно да се получи ясно изображение на химическата структура на молекулата. Това беше обявено през есента на 2009 г. и тогава на обществеността бе представена ясна картина на пентаценовата молекула - органично съединение, в молекулната структура на което има пет шестоъгълни бензолни пръстена, което, разбира се, изглеждаше много ефектно.

Диаграмата показва устройството на един от видовете микроскоп с атомна сила за изследване на живи тъкани

Всъщност атомите можеха да се видят с помощта на мощни електронни микроскопи и преди, проблемът винаги беше, че не беше възможно да се фиксират междутомни връзки - те са твърде слаби. С помощта на AFM проблемът беше решен.

Лабораторията е оборудвана под земята - почти няма вибрации на почвата и сградата. Това, което ни е показано като микроскоп, е сбор от една сферична и две цилиндрични камери - всички заедно височина метър и половина. „Всъщност самият микроскоп изобщо не е толкова голям“, обясняват служителите на лабораторията. - Той е с размерите на човешки юмрук. Останалата част от дизайна служи за изпълнение на три задачи. Първо, повърхностите, върху които се изследват пробите, изискват ултра чистота и тази чистота трябва да се поддържа при продължителни експерименти. За да направите това, с помощта на помпа в камерата, където е поставен микроскопът, се създава висок вакуум.

Второ, молекулите, които са обект на изследване, показват бързи колебания при стайна температура и за да се „успокои“ лекарството, е необходимо камерата да се охлади до почти абсолютна нула (5 К, минус 268 ° С). За целта използвайте течен хелий, съдържащ се в хромирания цилиндър. Трето, тъй като все още има някои фалшиви вибрации в лабораторното помещение, вътре в камерата има специална система за окачване на микроскоп, която заглушава тези вибрации.

Усещаме въглероден окис

В стените на лабораторията в Цюрих на IBM бяха създадени два вида сканиращи сонди микроскопи - STM и AFM, а германският Герд Карл Биниг и швейцарецът Хайнрих Рорер, удостоен с Нобеловата награда от 1986 г., станаха основатели на тези разработки. Ако оптичният микроскоп работи със светлина, отразена от обект, а електронен микроскоп го „осветява“ с поток от електрони, тогава в сканиращите сонди микроскопи се случва нещо друго. Сондата AFM, която представлява подвижен лост (конзола) с игла (микроскопичен конус, острата част, обърната към обекта на изследване), сякаш усеща структурата на атомите и молекулите, точно както сляп човек чете изпъкналостите на Брайла.

Иглата, изпитвайки силите на взаимодействие с атомите, дължащи се на ултра-малкото разстояние, отчита повърхностния релеф, което води до конзолни вибрации. Те от своя страна се записват например от лазерен сензор, данните от който се преобразуват в изображение.

Ако говорим за сканиращ тунелен микроскоп, тогава към иглата на сондата се прилага напрежение и повърхностният релеф се отчита поради промяна в параметрите на тока, който протича между иглата и изпитваното лекарство в резултат на ефекта на квантовото тунелиране. По-специално големината на тока зависи от плътността в тази точка на тестовата проба, върху която е насочена иглата на сондата.

В същото време целият процес изобщо не е светкавично бърз - сканирането на обект може да отнеме до 20 часа. В допълнение, технологията изисква система за прецизно почистване и, което е важно, върхът на сондата се доближава до размера на изследвания обект. В идеалния случай този съвет трябва да се състои от една молекула и точно това успя да постигне IBM.

И започна така: опитите за сканиране на споменатата вече пентаценова молекула с AFM завършиха с факта, че електростатичната сила и силата ван дер Ваал, възникнала между иглата и пробата, унищожиха молекулата. Тогава беше възможно да вземете с игла една молекула въглероден оксид (CO), известна в ежедневието като "въглероден оксид", която се превърна в истински "съвет". Поради свойствата на двете молекули, ефектът на силите, които пречат на сканирането, се компенсира.

Така молекулата пентацен беше сканирана с много висока разделителна способност. Тук обаче има и определено ограничение на този метод - защото трикът с молекулата на въглеродния окис няма да работи, ако молекулата на лекарството има различен състав, тоест всеки път, когато трябва да търсите своето решение.

За прецизно позициониране на проба с размери на наноразмери, британската инсталация използва ултрависока вакуумна камера и четири тунелни микроскопа. Машината е предназначена за разработване, сглобяване, изпитване и ремонт на наномеханични конструкции, тоест има по-скоро не научна, а научна и приложна стойност.

Сбогом на силиций

Но всичко това е вчера. Още миналата година учените от IBM изследваха с помощта на AFM молекула на нанограф и получиха не само структурна картина, но и ясна картина и реда на атомните връзки вътре в молекулата. Оказа се, че тези връзки не само се различават по сила, но имат и различна дължина. Изследването на AFM също включваше молекула от bucksminsterfullerene, алотропно въглеродно съединение с 60 атома, оформено като топка и напомнящо геодезическите топки и куполи, изобретени от американския архитект Бъкминстър Фулер. Всички тези изследвания също използваха игла за сонда с молекула въглероден оксид като връх.

В сканиращ микроскоп за тунелиране иглата на сондата се движи над пробата с приблизително същия атомен диаметър. Между върха на иглата (към който се прилага напрежение) и повърхността на пробата възниква поток от електрони - тунелен ток. Сканиращ тунелен микроскоп отвори вселената от релефи на наносветите за хората, а създателите му получиха Нобелова награда.

Разбира се, експериментите с сондни микроскопи, стига да се провеждат в стените на лаборатории на IBM, все пак имат определено отношение към перспективите на компютърната индустрия. Факт е, че новите материали на базата на въглерод, в частност графен, се считат за бъдещата подмяна на силиция за бъдещи електронни чипове.

В тази връзка от особено значение е разработването на методи за манипулиране на такива материали на практика на атомно ниво. Между другото, през 2012 г. IBM обяви създаването на магнитна памет, един бит от който ще има материална основа под формата на само 12 атома. Вярно е, че такъв монтаж днес е чисто експериментален и работи при ултра ниски температури с помощта на сонда микроскоп.

Ако на повърхността се появи издутина, разстоянието до иглата намалява, токът се увеличава и за да го доведе до предварително определено ниво и да поддържа дадено разстояние, иглата се придвижва нагоре. Тези движения, подобни на вълни, след това добавят към 3D релефно изображение.

Следователно е трудно да се очаква, че 12-атомната памет може да се появи в приложни устройства в обозримо бъдеще. Възможно ли е да съхранявате информация само с един атом? Теоретично такава възможност съществува.

Водено злато

Тунелиращият сканиращ микроскоп не позволява получаването на такива супер фини сканирания на молекули като AFM, но неговият плюс е възможността за активно влияние върху лекарствената молекула. В лабораторията на IBM в Цюрих са ни показани резултатите от един експеримент за манипулация на един атом. Адсорбирани златни атоми (тоест атоми, поставени върху кристална повърхност, в която те не могат да дифундират) са разположени върху тънък филм от натриев хлорид (натриев хлорид), който от своя страна очертава лигавицата на мед. Всички атоми на снимката изглеждат като леки кръгове на сив фон.

Сега иглата на сондата се довежда до един атом и се прилага напрежение. Атомите се сканират отново и полученото изображение ясно показва, че този, който се подлага на манипулация, придобива ясно видим тъмен ореол. Какво се случи?

Атом, който преди беше неутрален, получи допълнителен електрон от микроскопа и с него отрицателен заряд. "В това състояние", обяснява служител на лабораторията на IBM, "атомът по принцип може да бъде безкрайно дълъг. Но нищо не пречи да използвате същия микроскоп, за да го върнете в неутрално състояние. " И ако можем да контролираме две състояния на определен обект, променяйки едно състояние на друго във всеки момент и по собствена свободна воля, тогава какво е това, ако не е готова логическа клетка с капацитет на един бит?

Статията „Космос върху иглата“ е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 1, януари 2013 г.).

Препоръчано

Еволюция на бактерии в реално време
2019
Легендарният съветски атакуващ самолет Су-25
2019
11 най-смешни и нелепи конспиративни теории: свят на влечуги
2019