Наноскоп для атомов жизни

Получены первые изображения атомов водорода и углерода в микроскопе

Алексей Петров 17.07.2008, 15:01

Электронный микроскоп смог разглядеть отдельные атомы водорода и углерода; прежде можно было увидеть лишь тяжёлые атомы вроде золота. Секрет метода, который позволит изучать биологические молекулы «живьём», – использование подложки из графена, одноатомного углеродного листа.

Микроскоп является, наверное, самым удобным инструментом, позволяющим разглядеть кирпичики мироздания. Сначала микроскопы представляли собой оптические системы, увеличение в которых достигалось с помощью линз, фокусирующих отраженные от исследуемого образца или прошедшие сквозь него световые лучи.

Затем с развитием техники оптические микроскопы уступили место электронным аналогам, где вместо световых волн используются сфокусированные потоки электронов. Они, подобно квантам света, поглощаются или рассеиваются различными веществами и материалами, но позволяют добиться увеличения куда большего, чем в оптических микроскопах. Связано это с явлением дифракции света, «огибания» электромагнитными волнами препятствий, которое не позволяет разглядеть в оптические устройства объекты меньше примерно 300 нм – этот размер соответствует ультрафиолетовому краю видимого света. Электроны также представляют собой волны (равно как и частицы), но длина их волны существенно меньше.

В настоящее время существует масса микроскопических методов, позволяющих проводить исследования в нанодиапазоне, – это сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая и так далее.

Наибольшего увеличения и разрешения на сегодняшний день можно добиться с помощью технологии трансмиссивной, или просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) высокого разрешения.

Она заключается в пропускании сфокусированного электронного пучка сквозь тонкий образец. Этим образцом может быть наноразмерный кристаллит неорганического вещества, углеродные нанотрубки, фуллерены и так далее. С помощью просвечивающего микроскопа и математического аппарата преобразования сигнала можно видеть отдельные атомы, образующие кристаллическую решетку просвечиваемого твердого тела, рассчитывать его параметры и так далее. Казалось бы, о чем еще можно мечтать физикам и химикам? И действительно, ТЭМ до сих остается пределом мечтаний для сотрудников многих отечественных учебно-научных учреждений: цена одного такого аппарата сравнима со стоимостью истребителя.

Тем не менее и такой аппарат не всесилен, увидеть в нем даже при разрешении в доли нанометра можно далеко не каждый атом.

Дело в том, что легкие атомы, такие как углерод, кислород, азот и уж тем более водород, обладающие небольшим количеством электронов, очень слабо рассеивают поток электронов. На фоне сигнала проводящей подложки, на которой лежит образец, и шума детектора сигнал этих атомов становится совершенно незаметным. Поэтому вплоть до последнего времени просвечивающая электронная микроскопия применялась в подавляющем большинстве случаев для исследования строения неорганических материалов, состоящих из тяжелых и богатых электронами атомов. Между тем азот, водород, кислород и углерод – это биогенные элементы, входящие в состав всех органических соединений, а потому представляют едва ли не больший интерес для ученых, нежели все неорганические материалы вместе взятые.

Приспособить ТЭМ под исследование объектов органической природы позволил уже завоевавший славу углеродный материал графен. Тонкий углеродный лист графена атомарной толщины оказался прекрасной подложкой для соединений из легких атомов для изучения их на просвет электронным пучком.

Открытие это было сделано во многом случайно. Янник Мейер, входящий в группу профессора Алекса Зеттля из Калифорнийского университета в Беркли, но работающий сейчас в Университете немецкого города Ульм, изучал сами графеновые листы, пытаясь подобрать параметры съемки и настроить соотношение «сигнал--шум» своего микроскопа наилучшим образом.

В один прекрасный момент ему пришло в голову, что «шум», от которого никак не удается избавиться, есть не что иное, как легкие углеродные атомы на поверхности графена.

Оказалось, что графен, обладая минимально возможной толщиной в сочетании с феноменальной электронной проводимостью, дает очень низкий уровень шума, а прочностные характеристики этого материала позволяют ему выдерживать бомбардировку электронным пучком в течение многих часов. Статья команды ученых вышла в свет в журнале Nature.

Случайным ли образом в камере просвечивающего микроскопа Мейера оказались молекулы органических соединений, или они присутствуют там всегда и у всех, – сейчас сказать уже тяжело. Тем не менее Мейер, без сомнения, – первый, кто смог наблюдать динамику их движения по поверхности графена.

Изображение поверхности графена (красный цвет), полученное с помощью ТЭМ. Видны адсорбированые атомы водорода (фиолетовые пики) и единичный атомом углерода в центре площадки (одиночный желтый пик).//Jannik Meyer
Изображение поверхности графена (красный цвет), полученное с помощью ТЭМ. Видны адсорбированые атомы водорода (фиолетовые пики) и единичный атомом углерода в центре площадки (одиночный желтый пик).//Jannik Meyer

Какие перспективы открывает новая методика просвечивающей микроскопии, разработанная специалистами из Беркли?

Главное, теперь становится возможным воочию наблюдать простые и сложные органические молекулы напрямую с помощью микроскопа, а не «щупать» их методами ядерного магнитного резонанса и рентгеновской дифракции.

Кроме того, по словам Зеттля, взаимодействие этих молекул на поверхности и с поверхностью отныне можно будет наблюдать в динамике. Если раньше ученым приходилось анализировать состав продуктов и промежуточных веществ в ходе реакции, а затем строить сложные кинетические модели цепных реакций для установления их механизма, то в перспективе они смогут ограничиться простым наблюдением за молекулами взаимодействующих веществ напрямую; благо, ТЭМ позволяет наблюдать, что называется, «живую» картинку.

Конечно, такие радужные перспективы не могут пока исключить нескольких очень важных «но».

Во-первых, изучение структуры органических соединений, адсорбированных на поверхности, должно учитывать то обстоятельство, что конформация многих молекул в ходе такого адсорбционного взаимодействия может значительно измениться. О влиянии конформации молекулы на ход реакций, особенно если дело касается природных соединений, «Газета.Ru» писала в понедельник.

Во-вторых, если предметом изучения становится изучение взаимодействия органики с поверхностью твердого тела – задачи, очень важной в гетерогенном катализе, – графен не слишком-то и интересен, ибо со структурной и химической точки зрения он очень прост, чтобы не сказать примитивен. А синтезировать подложки толщиной в несколько атомов из более интересных соединений с каталитической или структурной точки зрения – задача во многих случаях просто неразрешимая.

Наблюдение легких соединений с помощью ТЭМа таит в себе и ряд чисто технических сложностей. Однако, как показывает опыт развития науки техники последних лет, ученые наверняка найдут способ извернуться и в этом случае.