Cum arată moleculele la microscop. Molecule sub microscop

Pentru prima dată în lume, oamenii de știință au reușit să obțină o imagine vizuală a unei molecule la rezoluția unui singur atom în procesul de restructurare a legăturilor sale moleculare. Imaginea rezultată s-a dovedit a fi surprinzător de asemănătoare cu imaginile din manualele de chimie.

Până acum, oamenii de știință nu puteau face decât concluzii speculative despre structurile moleculare. Dar, odată cu noua tehnologie, legăturile atomice individuale - fiecare lungă de câteva zece milioane de milimetru - care leagă cei 26 de atomi de carbon și 14 atomi de hidrogen din această moleculă devin clar vizibile. Rezultatele acestui studiu au fost publicate pe 30 mai în revista Science.

Echipa experimentală și-a propus inițial să asambleze cu precizie nanostructuri din grafen, un material atomic cu un singur strat în care atomii de carbon sunt aranjați într-un model hexagonal care se repetă. Crearea unui fagure de carbon necesită rearanjarea atomilor dintr-un lanț liniar într-o rețea hexagonală; această reacție poate crea mai multe molecule diferite. Chimistul de la Berkeley Felix Fischer și colegii săi au vrut să vizualizeze moleculele pentru a se asigura că fac totul corect.

Molecula care conține carbon din fotografie este afișată înainte și după ce a fost rearanjată pentru a include cei mai obișnuiți doi produși de reacție. Scara imaginii – 3 angstromi sau 3 zece miliarde de metru

Pentru a documenta rețeta grafenului, Fischer avea nevoie de un instrument optic foarte puternic și a folosit un microscop atomic situat într-un laborator de la Universitatea din Berkeley. Microscoapele atomice fără contact folosesc un vârf extrem de sensibil pentru a citi forțele electrice produse de molecule; Pe măsură ce vârful acului se mișcă de-a lungul suprafeței moleculei, acesta este deviat de diferite sarcini, creând o imagine a modului în care sunt aranjați atomii și a legăturilor dintre ei.

Cu ajutorul ei, echipa de cercetători a reușit să vizualizeze nu numai atomii de carbon, ci și legăturile create de electroni între ei. Au plasat o moleculă în formă de inel pe o suprafață de argint și au încălzit-o astfel încât molecula să-și schimbe forma. Răcirea ulterioară a reușit să fixeze produsele de reacție, printre care se numărau trei componente neașteptate și o moleculă la care se așteptau oamenii de știință.

Trurl a început să prindă atomi, să răzuie electroni din ei, să frământe protoni astfel încât doar degetele lui să pâlpâie, a pregătit un aluat de protoni, a așezat electroni în jurul lui și - pentru următorul atom; Nu trecuseră nici cinci minute înainte ca el să țină în mâini un bloc de aur curat: el și-l întinse la bot, iar ea, încercând blocul pe dintele ei și dând din cap, spuse:
- Și într-adevăr este aur, dar nu pot urmări atomi așa. Sunt prea mare.
- E în regulă, îți vom oferi un dispozitiv special! - l-a convins Trurl.

Stanislav Lem, „Cyberiada”

Este posibil, folosind un microscop, să vedeți un atom, să-l distingeți de un alt atom, să observați distrugerea sau formarea unei legături chimice și să vedeți cum o moleculă se transformă în alta? Da, dacă nu este un simplu microscop, ci unul de forță atomică. Și nu trebuie să te limitezi la observație. Trăim într-o perioadă în care microscopul cu forță atomică nu mai este doar o fereastră către microlume. Astăzi, acest dispozitiv poate fi folosit pentru a muta atomii, a distruge legături chimice, studiind limita de întindere a moleculelor individuale - și chiar să studieze genomul uman.

Litere realizate din pixeli xenon

Privirea atomilor nu a fost întotdeauna atât de ușoară. Istoria microscopului cu forță atomică a început în 1979, când Gerd Karl Binnig și Heinrich Rohrer, care lucrează la Centrul de Cercetare IBM din Zurich, au început să creeze un instrument care să permită studiul suprafețelor la rezoluție atomică. Pentru a veni cu un astfel de dispozitiv, cercetătorii au decis să folosească efectul de tunel - capacitatea electronilor de a depăși barierele aparent impenetrabile. Ideea a fost de a determina poziția atomilor din probă prin măsurarea puterii curentului de tunel care apare între sonda de scanare și suprafața studiată.

Binnig și Rohrer au reușit și au intrat în istorie ca inventatorii microscopului cu scanare tunel (STM), iar în 1986 au primit Premiul Nobel pentru Fizică. Microscopul de scanare cu tunel a făcut o adevărată revoluție în fizică și chimie.

În 1990, Don Eigler și Erhard Schweitzer, care lucrează la Centrul de Cercetare IBM din California, au arătat că STM poate fi folosit nu numai pentru a observa atomii, ci și pentru a-i manipula. Folosind o sondă de microscop cu tunel de scanare, ei au creat poate cea mai populară imagine care simbolizează tranziția chimiștilor la lucrul cu atomi individuali - au pictat trei litere pe o suprafață de nichel cu 35 de atomi de xenon (Fig. 1).

Binnig nu s-a odihnit pe lauri - în anul în care a primit Premiul Nobel, împreună cu Christopher Gerber și Kelvin Quaite, care au lucrat și la Centrul de Cercetare IBM Zurich, a început să lucreze la un alt dispozitiv pentru studierea microlumii, lipsit de dezavantaje. inerente STM. Cert este că, cu ajutorul unui microscop cu scanare tunel, a fost imposibil să se studieze suprafețele dielectrice, ci doar conductorii și semiconductorii, iar pentru analizarea acestora din urmă a fost necesar să se creeze un vid semnificativ între ele și sonda microscopului. Dându-și seama că crearea unui nou dispozitiv era mai ușoară decât modernizarea unuia existent, Binnig, Gerber și Quaite au inventat microscopul cu forță atomică sau AFM. Principiul funcționării sale este radical diferit: pentru a obține informații despre suprafață, ei măsoară nu puterea curentă care apare între sonda microscopului și proba studiată, ci valoarea forțelor atractive care apar între ele, adică slabe. interacțiuni nechimice - forțele van der Waals.

Primul model de lucru AFM a fost proiectat relativ simplu. Cercetătorii au mutat o sondă de diamant pe suprafața probei, conectată la un senzor micromecanic flexibil - o cantilever din folie de aur (atracția apare între sondă și atom, cantileverul se îndoaie în funcție de forța de atracție și deformează piezoelectricul) . Gradul de îndoire a consolei a fost determinat folosind senzori piezoelectrici - într-un mod similar în care canelurile și crestele unui disc de vinil sunt convertite într-o înregistrare audio. Designul microscopului cu forță atomică i-a permis să detecteze forțe atractive de până la 10-18 newtoni. La un an după crearea unui prototip de lucru, cercetătorii au reușit să obțină o imagine a topografiei suprafeței de grafit cu o rezoluție de 2,5 angstromi.

De-a lungul celor trei decenii care au trecut de atunci, AFM a fost folosit pentru a studia aproape orice obiect chimic - de la suprafața unui material ceramic la celule vii și molecule individuale, atât în ​​stare statică, cât și dinamică. Microscopia cu forță atomică a devenit calul de lucru al chimiștilor și al oamenilor de știință din materiale, iar numărul de studii care utilizează această metodă este în continuă creștere (Fig. 2).

De-a lungul anilor, cercetătorii au selectat condiții atât pentru studiul de contact, cât și pentru studiul fără contact al obiectelor folosind microscopia cu forță atomică. Metoda de contact este descrisă mai sus și se bazează pe interacțiunea van der Waals dintre consolă și suprafață. Când funcționează în modul fără contact, piezovibratorul excită oscilații ale sondei la o anumită frecvență (cel mai adesea rezonantă). Forța care acționează de la suprafață face ca atât amplitudinea, cât și faza oscilațiilor sondei să se modifice. În ciuda unor dezavantaje ale metodei fără contact (în primul rând sensibilitatea la zgomotul extern), elimină influența sondei asupra obiectului studiat și, prin urmare, este mai interesant pentru chimiști.

Vioi pe sonde, în căutarea conexiunilor

Microscopia cu forță atomică a devenit fără contact în 1998 datorită muncii studentului lui Binnig, Franz Josef Gissibl. El a propus folosirea unui oscilator de referință de cuarț cu o frecvență stabilă ca cantilever. 11 ani mai târziu, cercetătorii de la laboratorul IBM din Zurich au întreprins o altă modificare a AFM fără contact: rolul unei sonde cu senzor nu a fost jucat de un cristal de diamant ascuțit, ci de o singură moleculă - monoxidul de carbon. Acest lucru a făcut posibilă trecerea la rezoluția subatomică, așa cum a demonstrat Leo Gross de la departamentul din Zurich al IBM. În 2009, folosind AFM, a făcut vizibili nu atomi, ci legături chimice, obținând o „imagine” destul de clară și fără ambiguitate pentru molecula de pentacen (Fig. 3; Ştiinţă, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).

Convins că legăturile chimice pot fi văzute folosind AFM, Leo Gross a decis să meargă mai departe și să folosească un microscop de forță atomică pentru a măsura lungimile și ordinele legăturilor - parametri cheie pentru înțelegerea structurii chimice și, prin urmare, a proprietăților substanțelor.

Amintiți-vă că diferența în ordinea conexiunilor indică sensuri diferite densitatea electronică și distanțe interatomice diferite între doi atomi (în termeni mai simpli, o legătură dublă este mai scurtă decât o legătură simplă). În etan ordinul legăturii carbon-carbon este unul, în etilenă este doi, iar în molecula aromatică clasică benzen ordinea legăturii carbon-carbon este mai mare decât unu, dar mai mic de doi și este considerat a fi 1,5.

Determinarea ordinii legăturilor este mult mai dificilă atunci când se trece de la sisteme aromatice simple la sisteme ciclice policondensate plane sau în vrac. Astfel, ordinea legăturilor în fulerene, constând din inele de carbon condensate cu cinci și șase atomi, poate lua orice valoare de la unu la doi. Aceeași incertitudine este teoretic inerentă compușilor aromatici policiclici.

În 2012, Leo Gross, împreună cu Fabian Mohn, au arătat că un microscop de forță atomică cu o sondă metalică fără contact modificată cu monoxid de carbon poate măsura diferențele de distribuție a sarcinii atomilor și distanțele interatomice - adică parametrii asociați cu ordinea legăturilor ( Ştiinţă, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).

Pentru a face acest lucru, ei au studiat două tipuri de legături chimice în fuleren - o legătură carbon-carbon, comună celor două inele cu șase atomi de carbon ale fulerenului C60 și o legătură carbon-carbon, comună celor cinci și șase. -inele membre. Un microscop cu forță atomică a arătat că condensarea inelelor cu șase atomi produce o legătură care este mai scurtă și de ordin mai mare decât condensarea fragmentelor ciclice C 6 și C 5 . Studiul caracteristicilor legăturii chimice în hexabenzocoronen, unde încă șase inele C 6 sunt situate simetric în jurul inelului C 6 central, a confirmat rezultatele modelării chimice cuantice, conform căreia ordinea Conexiuni C-C inel central (în Fig. 4 litera i) trebuie să fie mai mare decât legăturile care leagă acest inel cu ciclurile periferice (în Fig. 4 litera j). Rezultate similare au fost obținute pentru o hidrocarbură aromatică policiclică mai complexă care conține nouă inele cu șase atomi.

Ordinele de legătură și distanțele interatomice, desigur, au fost de interes pentru chimiștii organici, dar a fost mai important pentru cei care au lucrat la teoria legăturilor chimice, predicția reactivitateși studierea mecanismelor reacții chimice. Cu toate acestea, atât chimiștii sintetici, cât și specialiștii în studierea structurii compușilor naturali au avut o surpriză: s-a dovedit că microscopul de forță atomică poate fi folosit pentru a determina structura moleculelor în același mod ca și spectroscopia RMN sau IR. Mai mult, oferă un răspuns clar la întrebările pe care aceste metode nu le pot gestiona.

De la fotografie la cinema

În 2010, aceiași Leo Gross și Rainer Ebel au reușit să stabilească fără ambiguitate structura unui compus natural - cefalandol A, izolat dintr-o bacterie Dermacoccus abyssi(Chimia naturii, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Compoziția cefalandolului A a fost stabilită anterior folosind spectrometria de masă, dar analiza spectrelor RMN ale acestui compus nu a dat un răspuns clar la întrebarea structurii sale: erau posibile patru opțiuni. Folosind un microscop cu forță atomică, cercetătorii au eliminat imediat două dintre cele patru structuri, iar din celelalte două alegerea potrivita realizat prin compararea rezultatelor obținute folosind AFM și simulări chimice cuantice. Sarcina s-a dovedit a fi dificilă: spre deosebire de pentacen, fuleren și coronene, cefalandolul A conține nu numai atomi de carbon și hidrogen, în plus, această moleculă nu are un plan de simetrie (Fig. 5) - dar și această problemă a fost rezolvată.

O confirmare suplimentară că microscopul cu forță atomică poate fi folosit ca instrument analitic a fost obținută în grupul lui Oscar Kustanza, care lucra la acea vreme la Școala de Inginerie a Universității din Osaka. El a arătat cum să folosești AFM pentru a distinge atomii care diferă unul de celălalt mult mai puțin decât carbonul și hidrogenul ( Natură, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustants a examinat suprafața unui aliaj format din siliciu, staniu și plumb cu un conținut cunoscut al fiecărui element. Ca rezultat al numeroaselor experimente, el a descoperit că forța generată între vârful sondei AFM și diferiți atomi diferă (Fig. 6). De exemplu, cea mai puternică interacțiune a fost observată la sondarea siliciului, iar cea mai slabă interacțiune a fost observată la sondarea plumbului.

Se presupune că, în viitor, rezultatele microscopiei cu forță atomică pentru recunoașterea atomilor individuali vor fi procesate în același mod ca rezultatele RMN - prin compararea valorilor relative. Deoarece compoziția exactă a vârfului senzorului este dificil de controlat, valoarea absolută a forței dintre senzor și diferiți atomi de suprafață depinde de condițiile experimentale și de marca dispozitivului, dar raportul acestor forțe pentru orice compoziție și formă a senzorul rămâne constant pentru fiecare element chimic.

În 2013, au apărut primele exemple de utilizare a AFM pentru a obține imagini ale moleculelor individuale înainte și după reacțiile chimice: se creează un „fotoset” din produsele și intermediarii reacției, care poate fi apoi montat într-un fel de film documentar (Ştiinţă, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187 ).

Felix Fischer și Michael Crommie de la Universitatea din California din Berkeley au aplicat argint pe suprafață 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzen, a fotografiat moleculele și a încălzit suprafața pentru a iniția ciclizarea. Jumătate dintre moleculele originale s-au transformat în structuri aromatice policiclice constând din cinci inele cu șase membri și două inele cu cinci membri fuzionate. Un alt sfert din molecule au format structuri formate din patru inele cu șase membri conectate printr-un inel cu patru membri și două inele cu cinci membri (Fig. 7). Produsele rămase au fost structuri oligomerice și, în o suma mica, izomeri policiclici.

Aceste rezultate i-au surprins pe cercetători de două ori. În primul rând, în timpul reacției s-au format doar două produse principale. În al doilea rând, structura lor a fost surprinzătoare. Fisher observă că intuiția chimică și experiența au făcut posibilă extragerea a zeci de posibili produși de reacție, dar niciunul nu corespundea compușilor care s-au format la suprafață. Poate cursul atipic procese chimice a contribuit la interacțiunea substanțelor inițiale cu substratul.

Desigur, după primele succese serioase în studiul legăturilor chimice, unii cercetători au decis să folosească AFM pentru a observa interacțiuni intermoleculare mai slabe și mai puțin studiate, în special legăturile de hidrogen. Cu toate acestea, lucrările în acest domeniu sunt abia la început, iar rezultatele sunt contradictorii. Astfel, unele publicații raportează că microscopia cu forță atomică a făcut posibilă observarea legăturilor de hidrogen ( Ştiinţă, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), alții susțin că acestea sunt doar artefacte din cauza caracteristicilor de proiectare ale dispozitivului, iar rezultatele experimentale trebuie interpretate cu mai multă atenție ( Scrisori de revizuire fizică, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Poate că răspunsul final la întrebarea dacă hidrogenul și alte interacțiuni intermoleculare pot fi observate folosind microscopia cu forță atomică va fi obținut deja în acest deceniu. Pentru a face acest lucru, este necesar să creșteți rezoluția AFM de cel puțin câteva ori mai mult și să învățați să obțineți imagini fără interferențe ( Analiza fizică B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).

Sinteza unei singure molecule

În mâini pricepute, atât STM, cât și AFM se transformă din dispozitive capabile să studieze materia în dispozitive capabile să schimbe în mod intenționat structura materiei. Cu ajutorul acestor dispozitive s-a putut deja obținerea „cele mai mici laboratoare chimice”, în care se folosește un substrat în loc de balon și se folosesc molecule individuale în loc de moli sau milimoli de substanțe care reacţionează.

De exemplu, în 2016 grup international Oamenii de știință conduși de Takashi Kumagai au folosit microscopia cu forță atomică fără contact pentru a converti molecula de porficen dintr-o formă în alta ( Chimia naturii, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porficenul poate fi considerat o modificare a porfirinei, al cărei inel intern conține patru atomi de azot și doi atomi de hidrogen. Vibrațiile sondei AFM au transferat suficientă energie moleculei de porficen pentru a transfera acești hidrogeni de la un atom de azot la altul, iar rezultatul a fost „ reflexie în oglindă» a acestei molecule (Fig. 8).

Echipa, condusă de neobositul Leo Gross, a arătat, de asemenea, că este posibil să se inițieze reacția unei singure molecule - au transformat dibromomantracenul într-o diină ciclică cu zece membri (Fig. 9; Chimia naturii, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Spre deosebire de Kumagai și colab., au folosit un microscop de scanare tunel pentru a activa molecula, iar rezultatul reacției a fost monitorizat folosind un microscop cu forță atomică.

Utilizarea combinată a unui microscop cu scanare tunel și a unui microscop cu forță atomică a făcut chiar posibilă obținerea unei molecule care nu poate fi sintetizată folosind tehnici clasice si metode ( Nanotehnologia naturii, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305 ). Acesta este triangulenul, un diradical aromatic instabil a cărui existență a fost prezisă cu șase decenii în urmă, dar toate încercările de sinteză au eșuat (Fig. 10). Chimiștii din grupul lui Niko Pavlicek au obținut compusul dorit prin îndepărtarea a doi atomi de hidrogen din precursorul său folosind STM și confirmând rezultatul sintetic folosind AFM.

Se presupune că numărul de lucrări dedicate utilizării microscopiei cu forță atomică în Chimie organica, va crește în continuare. În prezent, din ce în ce mai mulți oameni de știință încearcă să reproducă la suprafață reacții bine cunoscute în „chimia soluției”. Dar poate că chimiștii sintetici vor începe să reproducă în soluție reacțiile care au fost efectuate inițial la suprafață folosind AFM.

De la non-vie la viață

Consolele și sondele microscoapelor cu forță atomică pot fi utilizate nu numai pentru studii analitice sau sinteza moleculelor exotice, ci și pentru rezolvarea problemelor aplicate. Sunt deja cunoscute cazuri de utilizare a AFM în medicină, de exemplu, pentru diagnosticarea precoce a cancerului, iar aici pionierul este același Christopher Gerber, care a avut o mână de ajutor în dezvoltarea principiului microscopiei cu forță atomică și în crearea AFM.

Astfel, Gerber a reușit să învețe AFM să detecteze mutații punctuale ale acidului ribonucleic din melanom (pe material obținut în urma unei biopsii). Pentru a face acest lucru, cantileverul de aur al unui microscop cu forță atomică a fost modificat cu oligonucleotide care pot intra în interacțiune intermoleculară cu ARN-ul, iar puterea acestei interacțiuni poate fi măsurată și datorită efectului piezoelectric. Sensibilitatea senzorului AFM este atât de mare încât încearcă deja să-l folosească pentru a studia eficacitatea metodei populare de editare a genomului CRISPR-Cas9. Tehnologiile create de diferite generații de cercetători se reunesc aici.

Pentru a parafraza un clasic al uneia dintre teoriile politice, putem spune că vedem deja posibilitățile nelimitate și inepuizabilitatea microscopiei cu forță atomică și suntem cu greu capabili să ne imaginăm ce ne așteaptă înainte în legătură cu dezvoltare ulterioară aceste tehnologii. Dar astăzi, microscoapele de scanare cu tunel și microscoapele cu forță atomică ne oferă posibilitatea de a vedea și atinge atomii. Putem spune că aceasta nu este doar o extensie a ochilor noștri, permițându-ne să privim în microcosmosul atomilor și al moleculelor, ci și noi ochi, noi degete, capabili să atingă și să controleze acest microcosmos.

Flagelul de la sfârșitul secolului al XX-lea, care a dus la moartea lui Freddy Mercury, duce anual mii de oameni dincolo de punctul fără întoarcere în lumea celor vii.
Trebuie să cunoașteți inamicul umanității, să priviți și să vă amintiți molecula Virusului SIDA, care în cercurile științifice este sub pseudonimul HIV.

Cam așa se împart celulele în altele similare.
Imaginile arată momentul diviziunii celulare de drojdie.

Orice creatură biologică, indiferent de persoană sau plantă, constă din gene.
Un întreg lanț de gene, în principiu de care depind foarte mult, din cauza lipsei anumitor gene, o persoană se transformă ușor într-o plantă. Procesul invers nu a fost încă observat în natură.
În imagine este gena plantei Arabidopsis, aici este în 3D.

Da, probabil orice școlar va recunoaște această poză!
O sămânță de roșii înconjurată de fire de păr minuscule care se simt ca mucus. Protejează semințele de uscarea prematură.

Iată-l, visul mult râvnit al majorității umanității!
Pentru posesia acestuia, s-au purtat războaie lungi și sângeroase, trecătorii au fost uciși și jefuiți în poartă. Întreaga istorie a omenirii este implicată în acest lucru.