Ученые научились рассматривать в микроскоп отдельные атомы

Наверное, все читатели помнят уроки биологии в школе, на которых нужно было рассматривать в микроскоп капли воды и восхищаться увиденным там зверинцем. Учительница в это время традиционно рассказывала, что первым 300 лет тому назад так развлекался Антони Ван Левенгук. Сегодня ученые по-прежнему очень активно используют микроскопы, вот только изучают они с их помощью уже не инфузорий-туфелек, а отдельные молекулы и атомы.

Полученная экспериментально картина молекулы цефаландола А (слева)

Мал мала меньше

Полноценная история микроскопа начинается в XVII веке, хотя необычные оптические свойства изогнутых поверхностей были известны людям еще во времена Евклида и Птолемея. Вероятно, тогда люди не могли придумать, зачем им нужно увеличивать изображения тех или иных объектов. Даже самое, как кажется сегодня, очевидное использование линз – в качестве очков – было освоено человечеством только в XIII веке.

По некоторым данным, первый микроскоп, содержащий несколько линз (так называемый сложный микроскоп), был изобретен уже в 1590 году именно мастером по изготовлению очков из Нидерландов Хансом Янссеном и его сыном Захарией Янссеном. Впрочем, некоторые специалисты полагают, что человеком, сконструировавшим прибор - прародитель современных микроскопов, был знаменитый Галилео Галилей.

Первые по-настоящему значимые наблюдения при помощи микроскопа провел английский физик Роберт Гук. В 1667 году вышла его книга "Микрография", в которой Гук описал и зарисовал, что именно ему удалось увидеть, разглядывая в микроскоп самые разные вещи. Ученый скрупулезно запечатлел увеличенные в десятки раз иголки, бритвы, растения, блох, камни, мух и многое другое. Описания и особенно рисунки Гука оставались образцами для будущих исследователей еще многие годы - вплоть до XIX века они в обязательном порядке включались во все учебники естественной истории. Кстати, именно Гук придумал подсвечивать изучаемый объект при помощи искусственных источников света.

Уже упоминавшийся Левенгук известен не только своим знаменитым высказыванием про обитателей капли воды: "С величайшим изумлением я увидел в капле великое множество зверюшек, оживленно двигающихся во всех направлениях, как щука в воде. Самое мелкое из этих крошечных животных в тысячу раз меньше глаза взрослой вши", - но также замечательными линзами, которые по качеству не уступали линзам современных микроскопов. За свою жизнь Левенгук, освоивший профессию шлифовальщика, изготовил около 250 линз, лучшие из которых давали увеличение до 300 раз. Для своего времени Левенгук проводил самые передовые научные наблюдения, хотя его зарисовки и не отличались таким совершенством, как у Гука.

В медицинской практике микроскоп впервые применил, вероятно, Марчелло Мальпиги, итальянский врач и биолог, живший одновременно с Гуком и Левенгуком. В 1661 году он написал труд "Анатомические наблюдения легких", для создания которого также пользовался микроскопом. Мальпиги рассматривал сквозь линзы не только органы людей - он описал органы пищеварения и выделения у членистоногих и открыл у них органы дыхания.

Несмотря на то, что при помощи микроскопов люди фактически узнали о существовании у окружающего мира еще одного измерения, долгое время прогресс в технологиях микроскопии был относительно слабым. Причиной были сферические и хроматические аберрации, знакомые сегодня всем, кто увлекается фотографией. Первый тип аберраций связан с тем, что лучи света, проходящие через центр объектива и через его периферийные части, фокусируются в различных точках, и в результате изображение получается нечетким. Причина хроматических аберраций - фокусировка лучей разной длины волны в разных местах и, соответственно, окрашивание изображения.

Конструкторы микроскопов научились обходить эти затруднения только в XIX веке, и, начиная с этого времени, микроскоп стал одним из обязательных инструментов для медиков и биологов. Постепенно разрешающая способность микроскопов (то есть их способность "показывать" два находящихся рядом объекта раздельно, а не в виде одного пятна) росла, и исследователи могли разглядывать детали все более и более мелких образцов. Но до бесконечности увеличивать изображение пыльцы или клеток ученые не могли из-за открытого немецким физиком Эрнстом Аббе еще в далеком 1873 году дифракционного предела.

Дифракционный предел – это фундаментальное ограничение, которое не позволяет оптическим приборам разрешать объекты размером меньше, чем длина волны излучения, в котором ученые наблюдают эти объекты. То есть, при помощи микроскопов, являющихся непосредственными потомками тех приборов, которые использовали Гук и Мальпиги (хотя и намного более совершенных), нельзя разглядеть детали, размер которых меньше длины волны видимого света. Самая короткая длина волны у фиолетового света, и она составляет около 380 нанометров. И если размер дрожжевой клетки достигает 10 тысяч нанометров, то средний вирус обычно не вырастает больше нескольких десятков нанометров, а крупные белки редко добираются до 30 нанометров. Что уж говорить об отдельных изгибах белковых молекул.

Для того чтобы увидеть столь незначительные (имеются в виду только физические размеры) объекты, ученым пришлось приспособить для своих нужд излучение с намного меньшей, чем у видимого света, длиной волны. Преемником оптического микроскопа стал микроскоп, который облучал исследуемый объект потоком электронов. Длина волны в этом случае зависит от скорости движения электронов, и в современных электронных микроскопах ученые добиваются разрешения порядка десятых частей нанометра. Этого уже вполне достаточно для того, чтобы рассматривать, например, отдельные атомы в кристалле. Первые электронные микроскопы появились в 1930-е годы, а еще через 20 лет были изобретены приборы, в которых задействовано рентгеновское излучение. По своей разрешающей способности рентгеновские микроскопы уступают электронным, но для целого ряда применений они подходят намного лучше.

Но как бы ни были хороши рентгеновские и электронные микроскопы, использовать их можно далеко не всегда. Чем короче длина волны, тем больше энергии несет излучение, поэтому долго рассматривать образцы, особенно живые, при помощи очень коротких волн зачастую не получается - мощное излучение быстро разрушает исследуемые объекты.

И еще меньше

Для того чтобы все-таки изучить самые мелкие детали, например, увидеть, как расположены атомы в каком-нибудь веществе, ученые придумали множество хитроумных технологий. Одна из них - атомная силовая микроскопия (АСМ). Ее суть заключается в следующем: очень тонкая игла скользит над поверхностью изучаемого образца, подходя настолько близко, что начинает "чувствовать" силы атомных связей, действующих между атомами вещества. В итоге игла немного отклоняется от заданной траектории, и, анализируя параметры этого отклонения, исследователи могут восстановить рельеф поверхности.

У метода АСМ есть одно существенное ограничение – из-за сил Ван-дер-Ваальса (относительно слабые силы межмолекулярного взаимодействия) игла микроскопа не может опуститься над препаратом на расстояние меньше одного нанометра, а чем меньше расстояние, тем более мелкие детали игла может "прощупать". В 2009 году группа ученых из исследовательского центра IBM в Цюрихе предложила и опробовала способ модификации технологии АСМ, позволяющий заметно снизить влияние сил Ван-дер-Ваальса. Исследователи поместили на кончик иглы одну молекулу угарного газа – CO, на которую силы Ван-дер-Ваальса оказывают относительно несущественное влияние.

Используя такую "насадку", ученые исследовали молекулу пентацена - углеводорода с химической формулой C22H14, молекула которого содержит пять колец. Специалистам удалось разглядеть их все, а также увидеть отдельные атомы углерода и водорода - полученное в их работе разрешение оказалось лучшим за всю историю АСМ. В 2010 году те же авторы, используя созданную ими технологию, смогли предсказать пространственную структуру органической молекулы цефаландола А - до сих пор для решения этой задачи исследователи полагались на непрямые методы, например, на рентгеновскую кристаллографию. Ученые не всегда могут однозначно сказать, как именно будут расположены друг относительно друга отдельные атомы даже в не очень сложной молекуле, по той причине, что нередко сразу несколько конфигураций оказываются энергетически выгодными. А без точного знания трехмерной структуры молекулы исследователи не могут достоверно судить о многих ее свойствах.

Еще один прорыв в микроскопии был сделан учеными, которые в своей работе использовали метод сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Общий принцип СТМ схож с АСМ, однако в деталях эти две технологии заметно отличаются. СТМ задействует чисто квантовый эффект, получивший название туннелирования. Этим термином называют способность электрона преодолевать энергетический потенциальный барьер между двумя областями пространства, который, по всем правилам классической механики, он преодолеть не может.

Металлическая игла сканирующего туннельного микроскопа скользит над объектом на расстоянии всего несколько ангстрем (один ангстрем в десять раз меньше нанометра). В процессе движения на иглу подается небольшой потенциал, и в итоге между иглой и образцом возникает так называемый туннельный ток — электроны из образца, преодолевая расстояние до иглы, как бы "перепрыгивают" на нее. Количество туннелировавших электронов зависит от расстояния до кончика иглы, поэтому, определяя величину туннельного тока, ученые могут понять, каков рельеф поверхности образца.

Специалисты из немецкого института био- и наносистем при помощи СТМ исследовали строение молекулы сложной органической молекулы PTCDA (перилен-3,4,9,10-тетракарбон-3,4,9,10-диангидрид). Ранее они выяснили, что разрешение метода существенно улучшается, если между иглой и образцом поместить холодный водород. В ходе своего нового исследования специалисты показали, что добавление молекул газа заодно позволяет увидеть водородные связи между молекулами PTCDA (это те же самые связи, которые, например, обеспечивают уникальные свойства воды - подробнее о них можно прочитать тут). Пока ученые не могут объяснить природу наблюдаемого эффекта, но сам факт, что невещественные связи между молекулами можно увидеть воочию, уже очень впечатляет.

Еще одно впечатляющее достижение сделали физики из Харьковского физико-технического института - им впервые удалось сфотографировать электронные облака - именно в таком виде, а не в виде дискретных частиц, согласно положениям квантовой механики, существуют в атоме электроны.

Помимо разработки всех этих хитроумных методов в последние годы ученым удалось создать технологию, которая позволяет в принципе обойти дифракционный предел. Инструмент, позволяющий преодолеть фундаментальное физическое ограничение, был назван суперлинзой, и секрет его работы кроется в материале. Суперлинзы изготавливают из метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления, свойства которых определяются, в первую очередь, их необычной структурой. Метаматериалы очень необычным образом искажают пути прохождения лучей света, и при помощи некоторых из них физики научились разрешать объекты, недоступные оптическим приборам. Подробнее о метаматериалах и их свойствах можно прочитать здесь.

Если технологии микроскопии будут развиваться такими же темпами, как сейчас, то очень скоро на уроках биологии (по крайней мере, в старших классах) школьники будут рассматривать не амеб и хламидомонад, а, например, займутся подсчетом атомов в молекулах полиэтилена. Или будут исследовать как взаимодействуют внутри амеб отдельные белки.

Ирина Якутенко