Физики впервые разглядели отдельные атомы

Минимальное приближение к образцу обычной иглы (слева) и иглы, на кончике которой находится молекула угарного газа. Изображение авторов исследования

Европейские физики разработали новую технологию атомной силовой микроскопии, которая позволяет добиваться беспрецедентной детализации объектов. Статья с описанием метода появилась в журнале Science. Кратко исследование описано на портале Physics World.

Атомная силовая микроскопия начала применяться около 20 лет назад. При использовании этого метода изображение объектов создается при помощи иглы микроскопа, скользящей над препаратом. Игла "чувствует" силы атомных связей, действующих между атомами вещества, и соответственным образом отклоняется от прямой траектории.

Из-за технических ограничений игла микроскопа не может приблизиться к препарату ближе, чем на один нанометр. Основной причиной, мешающей игле опуститься ниже, являются силы Ван-дер-Ваальса - относительно слабые силы межмолекулярного взаимодействия. Из-за сил Ван-дер-Ваальса для того, чтобы смоделировать изучаемый объект по отклонению иглы, необходимо очень точно знать ее строение. Для стандартных игл эта характеристика всегда не до конца определена.

На кончике иглы атомного силового микроскопа, разработанного авторами новой работы, находится одна молекула угарного газа. Его химическая формула - CO. Молекула CO отличается высокой стабильностью, и силы Ван-дер-Ваальса оказывают на нее относительно несущественное влияние.

Чтобы продемонстрировать возможности новой технологии, исследователи изучили с ее помощью строение молекулы пентацена. Этот углеводород, состоящий из пяти колец, имеет химическую формулу C₂₂H₁₄. Физики смогли различить все пять колец, но также отдельные атомы углерода и водорода. Разрешение, которого удалось добиться авторам, является лучшим за всю историю атомной силовой микроскопии. Полученное фото молекулы доступно здесь.

Один из авторов работы признался, что решение поместить на кончик иглы молекулу CO было случайным. Молекула попала на иглу, когда ученые проводили исследование с использованием стандартной техники атомной силовой микроскопии.

Перспективы использования нового метода весьма широкие. Атомная силовая микроскопия с чрезвычайно высоким разрешением позволит составить каталог "внешнего вида" различных химических соединений. Кроме того, с его помощью можно изучать еще не описанные молекулы. Также метода окажется востребованной в электронике, где сейчас стремительно развиваются технологии устройств наноразмеров.