Для начала отметим, что слово «изображение» вместо «фотография» используется не случайно. Я уже рассказывал о причинах этого на канале. Хотя в разговорной речи они могут означать одно и то же, последнее создаётся путём регистрации света, тогда как первое может быть создано несколькими методами визуализации, и электронные микроскопы представляют здесь особый интерес.
Одна из самых серьёзных проблем при наблюдении за малыми объектами заключается в том, что сам процесс наблюдения вызывает взаимодействие между наблюдательным устройством и наблюдаемым объектом.
Это называется эффектом наблюдателя.
Фотоны тут не лучший способ получить изображение таких крошечных объектов, как атомы или молекулы, поскольку они легко взаимодействуют с электронным облаком и все портят. Проблема не только в этом. У каждой волны есть стандартные характеристики и для фотона получается так, что предел видимости объекта значительно больше, чем для электрона. Поэтому, даже если мы не работаем на уровнях, где ярко проявляется эффект наблюдателя, использование обычного света не может физически дать достаточное разрешение картинки. Потому используются электронные микроскопы и они регистрируют не саму картинку, а набор реакций сенсора, которые потом преобразуются в картинку.
Теперь, наконец, побеседуем про лучшие изображения, которые удавалось получить таким образом. Единичные атомы и объекты этого размерного ряда удавалось изобразить уже довольно давно (вспомните работы IBM и мальчика с атомом), но наиболее интересные варианты стали появляться после 2000-х годов.
Например, в 2008 году Янник Майер, Аллекс Цеттл и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли получили изображения отдельных атомов водорода.
Конечно, это всего лишь несколько пятен рядом с другими пятнами, так что с эстетической точки зрения они не представляют собой ничего особенного... но это изображение атома водорода!
В 2009 году IBM попала в новости благодаря потрясающему изображению пентацена. Ароматические молекулы изучаются в органической химии, и их структуры давно известны, но всё равно приятно увидеть визуальное подтверждение.
Для получения изображения они использовали атомно-силовой микроскоп. Цитата из статьи:
АСМ существуют с 1986 года, но до сих пор им не удавалось получить изображение молекулы. Электростатические и ван-дер-ваальсовы силы приводят к взаимодействию молекул и зонда АСМ, что может привести к разрушению образца или искажению показаний. IBM решила эту проблему, прикрепив к зонду своего АСМ одну молекулу оксида углерода (CO). Благодаря квантовой механике электроны молекул CO и пентацена расположены таким образом, что компенсируют электростатические и ван-дер-ваальсовы силы. Другими словами, зонд может проходить над образцом, не искажая его. Результатом стало первое изображение такого рода.
Лео Гросс, исследователь из IBM, является пионером в этой области (он был частью команды, которая получила изображение пентацена), и даже использовал сканирующий туннельный микроскоп для получения изображения химических связей в нанографене.
Цвета, которые вы видите, конечно, не «настоящие» в общепринятом смысле. Зелёные области иллюстрируют поведение электронов в химической связи.
Подобно тому, как изображение пентацена подтверждает молекулярную структуру, изображение выше подтверждает наше современное понимание химических связей.
В Феликс Фишер из лаборатории Беркли получил фантастические изображения молекулы, разрывающей и вновь образующей химическую связь.
Всё это в очередной раз подтверждает теоретические модели.
Не забывайте ставить лайки 👍 и подписываться на канал ✔️, если материал понравился! Так вы увидите больше интересных статей, а моему каналу это поможет развиваться.