Есть ли микроскопы, которые могут видеть атомы?

440
54
1
Лучший ответ
465

Да. Несколько. Конечно, они не «видят» их видимым светом, потому что это невозможно - длина волны огромна по сравнению с размером атома. Электронные микроскопы, использующие достаточно высокие энергии, могут создавать нечеткие изображения отдельных атомов, а также сканирующие туннельные микроскопы и атомно-силовые микроскопы.

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
455

Большинство атомов имеют диаметр 1–2 ангстрем (Å), что на 3 порядка ниже длин волн видимого света. Если мы хотим увидеть, как выглядят атомы, нам нужно прибегнуть к совершенно другим подходам.

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)

СТМ являются первыми устройствами, которые способны «видеть» атомы. СТМ использует чрезвычайно тонкую иглу для зондирования образца. Кончик иглы представляет собой один атом. Когда наконечник и поверхность образца находятся на расстоянии менее одного атома, электроны могут туннелировать через зазор. Поскольку вероятность квантового туннелирования падает экспоненциально с расстоянием, туннельный ток очень чувствителен к ширине щели, которая может раскрывать детали вплоть до отдельных атомов.

Одним из ограничений STM является то, что образец должен быть проводником. В результате STM может «видеть» только металлы и другие проводящие материалы, но не стекло или полимеры.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

Один из способов обойти проблему - использовать AFM. Как и STM, AFM также использует иглу для зондирования поверхности. Несмотря на свое причудливое название, его механизм звучит гораздо более «тривиально». Вместо того, чтобы измерять туннельные токи, AFM устанавливает прямой контакт с поверхностью и измеряет крошечное отталкивание между двумя атомами! Так что в этом смысле АСМ на самом деле не «видит» атомы, а «чувствует» их как слепого человека.

Поскольку игла не может попасть внутрь, как STM, так и AFM могут «видеть» только атомы на поверхности. Чтобы увидеть внутреннюю часть, нам нужно что-то, что может проникнуть в образцы, с длиной волны, сравнимой с атомами, например электроны высокой энергии или фотоны (рентгеновские лучи).

Электронная микроскопия (ЭМ)

На самом деле мы можем видеть атомы через ЭМ, при условии, что электронные лучи имеют достаточно высокое качество (т.е. эмиттанс низок), что возможно с появлением электронных пушек с полевой эмиссией. Картинка выше представляет собой микрофотографию графена в ПЭМ.

К сожалению, хотя ПЭМ является мощным инструментом, его нельзя использовать для просмотра трехмерных структур биомолекул, таких как белки. Причина в том, что биомолекулы гораздо более хрупкие, чем графены (которые являются самыми твердыми материалами в мире!), Что делает их легко повреждаемыми электронами высокой энергии, прежде чем мы сможем извлечь достаточно информации.

Рентгеновская кристаллография (XRD)

XRD является первым в мире инструментом, позволившим нам увидеть трехмерные структуры белков, и остается основным способом определения структуры биомолекул. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах давно заметили исследователи в начале 20 века. Причина в том, что рентгеновские лучи слабо рассеиваются электронами в атомах. Однако, поскольку длина волны рентгеновского излучения (~ 1 Å) сравнима с атомами, периодическое расположение атомов в кристаллах действует как дифракционная решетка, которая значительно увеличивает переизлучение в определенных направлениях (закон Брэгга). Анализируя дифракционные картины, мы можем восстановить карты электронной плотности и, следовательно, кристаллические структуры.

Хотя закон Брэгга был открыт в 1910-х годах, первая попытка решения белковых структур с использованием XRD заняла почти полвека из-за слабой вычислительной мощности в то время, которая была достаточна только для решения таких простых структур, как поваренная соль. Чтобы решить белковые структуры, нам нужно превратить их в кристаллы, упорядочив многочисленные копии в периодические структуры. Этап называется «кристаллизация». Как и электронные пучки, белки сильно повреждаются рентгеновскими лучами. В результате кристаллы белка охлаждаются до криогенной температуры, что делает их намного «тяжелее», а средняя мощность излучения, получаемая каждым белком, поддерживается на очень низком уровне. Если кристаллы достаточно велики, они все же могут привести к сильной дифракционной картине. Поиск подходящих условий для кристаллизации не является тривиальной задачей, и кристаллизация больших, сложных или трансмембранных белков остается проблемой до настоящего времени.

Электронная криомикроскопия (Крио-ЭМ)

Крио-ЭМ является многообещающим инструментом в структурной биологии, поскольку он не требует проблемного этапа кристаллизации, который дает потенциал для решения большинства рефрактерных белков. Как и XRD, Cryo-EM позволяет избежать радиационных повреждений за счет криогенного охлаждения и снижения дозировки. Белки суспендируются в тонкой пленке воды, которая быстро окунается в жидкий этан при криогенной температуре. Поскольку замораживание происходит очень быстро, кристаллы льда даже не образуются. Вместо этого белки и молекулы воды буквально «замораживаются» одновременно. Поскольку белки готовят в виде суспензий, а не кристаллов, они могут принимать нативную конфигурацию, вместо того чтобы принуждаться принимать жесткую форму в кристаллах.

Каждый белок представлен очень низкой дозой электронов. Поскольку дозировка низкая, получаются только размытые тени. Однако, усредняя многочисленные изображения (под «многочисленными», я имею в виду миллион), используя компьютерные алгоритмы, мы можем улучшить изображение до атомного разрешения. Поскольку белки случайным образом ориентированы в суспензиях, необходимы сложные алгоритмы для выравнивания этих изображений. Однако изображения меньших белков слишком малы, чтобы их можно было выровнять, что ставит нижнюю границу (~ 200 кДа) размеров белков, определяемых Крио-ЭМ.

Другим новым методом является рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL). XFEL генерирует чрезвычайно мощные рентгеновские лучи на десять порядков ярче, чем любые источники рентгеновского излучения, длительностью до фемтосекунды. Поскольку рентгеновские импульсы чрезвычайно короткие, они могут захватывать белковые структуры, прежде чем они разлетятся. Такой подход может решить белковые структуры при комнатной температуре в их активных состояниях, используя очень маленькие кристаллы или даже без кристаллов. Тем не менее, целая куча исследований необходима, чтобы полностью реализовать свой потенциал.

Следует отметить, что хотя рентгеновские лучи и пучки электронов могут решать атомные структуры, существует небольшая разница [1]. Поскольку рентгеновские лучи - это фотоны, которые непосредственно взаимодействуют с электрическими зарядами (потому что фотоны являются носителями электромагнитной силы), то рентгеновские лучи показали подлинные карты электронной плотности (поскольку электроны намного легче атомных ядер). Электроны OTOH являются заряженными частицами, которые косвенно взаимодействуют с атомами через электрические поля. В результате Крио-ЭМ фактически отражает распределение электрического потенциала вместо электронных облаков (что, к сожалению, ошибочно называют «картами плотности»). Одним из следствий этого является то, что атомы и ионы практически идентичны под рентгеновским излучением из-за их одинаковых размеров и электронных плотностей, но радикально отличаются под электронными микроскопами, потому что ионы заряжены, а атомы нет. Например, протонированные карбоксильные группы (-COOH) идентичны депротонированным карбоксильным группам (-COO-) в XRD, поскольку ион водорода не виден под рентгеновскими лучами. Однако, поскольку депротонированные карбоксилы несут отрицательный заряд, их легко отличить от протонированных под электронным микроскопом. В результате Cryo-EM обладает потенциалом раскрытия некоторых деталей, невидимых для рентгеновских лучей.

Сноски

[1] Об интерпретации электронно-микроскопических карт биологических макромолекул

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
254

Большинство ответов здесь предполагают, что вы не можете видеть атомы со светом, но это не совсем так. Это верно для атомов в решетке, где расстояние слишком мало, например, в кристалле, и вы достигли предела дифракции.

Оказывается, вы можете создавать системы для захвата атомов на большом расстоянии друг от друга в регулярной решетке и создания микроскопа для их изображения. Это делается с помощью так называемых оптических решеток, стоячих волн света, образованных лазерами, где области минимальной (или максимальной в зависимости от частоты) интенсивности могут образовывать «ямы», в которые можно сбрасывать атомы. Это легче всего сделать для атомов щелочных металлов по ряду причин. Затем вы излучаете другой лазер на атомы, который вызывает флуоресценцию в атомах, что в основном означает, что атомы поглощают фотоны из этого лазера и излучают их во всех направлениях. Хитрость заключается в том, чтобы поместить лазерный луч в такой конфигурации, чтобы фотоны, которые изображают атомы, также в конечном итоге охлаждали атомы. Это гарантирует, что атомы не нагреваются из решетки.

Эти системы иногда называют квантовыми газовыми микроскопами

А вот такие картинки вы можете получить из экспериментов, подобных этим:

[1]

Каждое из этих ярких пятен представляет собой один атом (в данном случае цезий). Это трехмерная решетка с объективом с небольшой глубиной резкости, поэтому дымка - это атомы в не сфокусированных плоскостях решетки. Длина волны светового луча здесь составляет 852 нм.

На самом деле это изображение из лаборатории, в которой я работаю. Я хотел бы отметить, что расстояние между двумя узлами решетки в этом случае составляет 5 микрон, что намного больше, чем у кристалла. Кроме того, атомная волновая функция «делокализована» примерно до 150 нм, что также очень велико.

Ниже приведены некоторые изображения с гораздо меньшими расстояниями между решетками.

[2]

[3]

[4]

Список литература (неофициальный):

[1] группа Вайса в штате Пенн (Цезий)

[2] Группа Цверлейна в MIT (Калий 40)

[3] Грайнер группа в Гарварде (Рубидий)

[4] Группа Грайнер в Гарварде (Литий)

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
147

В мире микроскопов есть все виды микроскопов. Такие как оптический микроскоп, электронный микроскоп, туннельный сканирующий микроскоп и так далее. Теперь еще один микроскоп , Это атомы меди, сфотографированные микроскопом с апертурной решеткой , Извините за плохой английский и программный перевод。

[id = "qt-video-e9c72a7db04c461aa2c412022e13ac59"]. jw-error {фон: # 000; переполнение: скрытое; положение: относительное} [id = "qt-video-e9c72a7db04c461aa2c412022e13ac59"] .jw-error-msg %; слева: 50%; позиция: абсолютная; преобразование: перевод (-50%, - 50%)} [id = "qt-video-e9c72a7db04c461aa2c412022e13ac59"] .jw-error-text {text-align: start; color: #FFF; шрифт: 14px / 1.35 Arial, Helvetica, sans-serif} Этот видеофайл не может быть воспроизведен. (Код ошибки: 102630) 0:00 -1: 06

Что такое апертурная решетка микроскопа? Это инструмент, который использует принцип когерентного рассеяния для наблюдения за микромиром. Если после столкновения падающих когерентных фотонов электронные, электронные могут твердо удерживаться в исходном электронном положении (атомная силовая привязка очень сильная), фотон будет производить жесткие столкновения, эффект излучения - волна рассеяния электромагнитной волны. Рассеивающая волна имеет точно такую ​​же длину волны и частоту, что и падающая волна. Атомы алюминия

[id = "qt-video-248d46d9f204429291e1012a5fab4600"]. jw-error {background: # 000; переполнение: скрытое; положение: относительное} [id = "qt-video-248d46d9f204429291e1012a5fab4600"] .jw-error-msg {top: msg {top: %; слева: 50%; позиция: абсолютная; преобразование: перевод (-50%, - 50%)} [id = "qt-video-248d46d9f204429291e1012a5fab4600"] .jw-error-text {text-align: start; color: #FFF; шрифт: 14px / 1.35 Arial, Helvetica, sans-serif} Этот видеофайл не может быть воспроизведен. (Код ошибки: 102630) 0:00 -0: 40

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
90

Есть ли микроскоп настолько мощный, что он может видеть атомы?

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
81

Какой микроскоп может просматривать атомы?

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
82

Еще в начале 1970-х годов, когда я был студентом, я помогал своему профессору держать его полевой ионный микроскоп холодным, заполняя его резервуар с жидким азотом. Это была очень простая машина, во многом похожая на упрощенную версию вакуумной телевизионной трубки старого образца. Он имел отрицательно заряженную сверхтонкую иглу сзади и положительно заряженный фосфорный экран спереди. Электроны испарялись с кончика иглы и летели по прямым линиям, пока не коснулись экрана, расходясь (и увеличивая изображение) по мере их полета. Иглы, заточенные путем погружения их в кислотные контуры, были настолько тонкими, что их точки были всего около ста атомов в поперечнике. Поскольку больше электронов выходит из всего, что выпадает над фоном (например, громоотвод), изображение на экране представляло собой симпатичный массив маленьких нечетких шариков - отдельных атомов на кончике иглы.

Что еще интереснее, когда мой профессор помещал в микроскоп различные молекулы, несколько таких молекул, которые попадали на конец иглы. Поскольку загрязняющие молекулы торчат над поверхностью иглы, их изображения будут ярко отображаться на фоне атомов иглы. Вы могли легко видеть атомы, составляющие эти молекулы.

Лучше всего были молекулы, которые имели две полустабильные позиции: лежащие ровно и торчащие вверх. Было удивительно видеть их в режиме реального времени, переворачивающихся взад и вперед между просмотром сверху и сбоку.

Неплохо более 40 лет назад. Так что да, насколько я понимаю, вы МОЖЕТЕ «видеть» атомы, и вам даже не нужны дорогие инструменты, упомянутые в других ответах. На самом деле, для изготовления игл нужно чуть больше, чем вакуумный насос, телевизионная трубка старого образца, источник высокого напряжения и кислотная ванна.

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
70

Какой микроскоп может просматривать атомы?

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
71

Итак, научный прорыв позволил нам увидеть атомные колонны и даже единичные атомы. Это результат изменения техники. Вместо того, чтобы микроскопы, использующие пучки фотонов (фундаментальная частица видимого света), они начали использовать электронные пучки. Поскольку у электронов длина волны намного меньше, чем у фотонов, вы можете получить намного большее увеличение и лучшее разрешение.

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
58

Извините, я должен был сказать это, вы опубликовали это от интернет-обозревателя?

Как и другие ответы, указанные, конечно, да. Технология изготовления настолько развита, что у нас может быть кончик рычага с шириной от нескольких до одного атома. Взаимодействие этого атома с объектом, который вы отбираете, помогает нам создать карту, и, таким образом, мы можем точно создать «изображение» в атомном масштабе.

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
58

Есть ли микроскоп настолько мощный, что он может видеть атомы?

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
57

Да, вроде.

Сканирующие туннельные электронные микроскопы могут отображать отдельные атомы. Это не «видеть» так же, как оптический микроскоп.

Аномальные гофры в сканирующей туннельной микроскопии: визуализация отдельных состояний

Возможно, более доступным:

Однако не существует конфигурации оптических компонентов, которые могли бы разрешить изображение невооруженным глазом отдельного атома.

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
58

Есть ли микроскоп, через который мы можем видеть атомы?

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
42

Какой микроскоп может просматривать атомы?

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
42

Есть ли микроскоп, через который мы можем видеть атомы?

ответил(а) 2019-12-24T14:46:44+03:00 1 год, 5 месяцев назад
Ваш ответ
Введите минимум 50 символов
Чтобы , пожалуйста,
Выберите тему жалобы:

Другая проблема