В германском исследовательском центре Юлих создан микроскоп, который впервые позволил увидеть слабые водородные связи между молекулами. Эти связи отвечают за свойства воды, строение белковых молекул и форму двойной спирали ДНК.
В "Журнале Американского химического общества" опубликованы иллюстрации, на которых видны осажденные на металлическую подложку органические молекулы, а между ними в строго определенных местах просматриваются светлые полоски. Именно здесь должны проходить водородные межмолекулярные связи. Хотя о водородных связях говорится даже в школьном курсе химии, увидеть их никому еще не удавалось, а их природа до сих пор остается не вполне ясной. Рассказывает руководитель группы в исследовательском центре Юлих Руслан Темиров:
– Это не совсем химические связи, а наоборот слабые межмолекулярные взаимодействия. За счет водородных связей вода, например, жидкая, а большинство биологических молекул имеют такую форму, какую имеют. Связи возникают между специальными химическими группами в молекулах – одна групп них, например, оканчивается кислородом, а другая водородом. И вот считается, что эти водородные связи имеют некий смешанный характер. На мой взгляд, до конца их физика даже и не вполне понятна. Нам удалось пронаблюдать некий сигнал, то есть, по сути, мы получаем некие изображения. И мы увидели, что в местах, где, в общем-то, теоретики предсказывают наличие этих водородных связей, мы наблюдаем некую картинку. До сих пор мы не можем сказать точно, какой механизм приводит к возможности отображения этих связей, но они там есть.
Химическая связь вообще понятие довольно условное. Увидеть ее – это примерно как сфотографировать линию взгляда, которым обмениваются два человека в толпе. Сделать это удалось благодаря устройству, которое авторы называют сканирующим водородным микроскопом. Новый научный прибор является усовершенствованием изобретенного еще лет тридцать назад сканирующего туннельного микроскопа.
– Туннельный микроскоп был изобретен где-то в середине 1980-х годов. Эта техника позволила нам наблюдать единичные атомы и молекулы. Нужно взять очень острую металлическую иглу и поднести ее очень близко к поверхности. Если расстояние между иглой и металлом будем меньше одного нанометра (миллионной доли миллиметра), то за счет так называемого эффекта квантового туннелирования электроны смогут перепрыгивать из иглы в металл или наоборот. Измеряя так называемый туннельный ток, мы тогда можем очень четко мерить, топографию поверхности.
Разрешающая способность классического туннельного микроскопа ограничена качеством его иглы, которой он, как слепой палочкой, ощупывает изучаемую поверхность.
– Конечно, иглу невозможно контролировать, потому что все качество определяется буквально двумя-тремя атомами, которые находятся на самом конце. Пока нет методов, чтобы контролируемо создавать иглы с заданной атомной геометрией. Ограничение микроскопа состоит в том, что он чувствителен к плотности электронных состояний только лишь в достаточно узком интервале энергий. Обычно в этом интервале находятся электроны, которые очень слабо связаны со своими атомными ядрами и которые, в общем-то, как покрывало накрывают атомно-молекулярную структуру и скрывают от нас ее точные детали.
Чтобы проникнуть сквозь это покрывало внешних электронов, исследователи как бы заострили иглу, добившись того, чтобы на самом ее кончике постоянно находилась крошечная молекула водорода.
– В нашем эксперименте мы сажали на иглу молекулы водорода или дейтерия. И оказалось, что эти водород и дейтерий очень сильно изменяют чувствительность самого микроскопа. То есть, микроскоп теперь становится чувствительным к очень короткодействующим силам между вот этой молекулой водорода, сидящей на игле и поверхностью, включая и те электроны, которые сидят очень близко к атомным ядрам и, в том числе, к тем электронам, которые образуют химические связи между атомами.
Но каким способом удается заставить одну единственную молекулу водорода надежно закрепиться на кончике сканирующей иглы?
– Вся прелесть метода в том, что он очень прост. Для этого не нужно брать какой-то специальный инструмент и помещать на иглу эту маленькую молекулу, которую, в общем-то, никаким инструментом не переместишь. Микроскоп постоянно находится при температуре от 5 до 10 кельвинов, то есть, это температура, близкая к температуре жидкого гелия. Этот микроскоп, находится, естественно в сверхвысоком вакууме. В то время, когда мы делаем эксперименты, мы просто открываем вентиль с водородом. Игла является для водорода некой потенциальной ямой, самый ее кончик – это как раз и есть дно этой потенциальной ямы. Соответственно, одна из молекул обязательно в эту яму упадет. И когда мы сканируем, эта молекула, сидит в этой яме и следует за иглой. Все получается, в общем-то, само собой.
Интересно отметить, что сами авторы работы не до конца понимают, почему их метод работает, и каким образом достигается визуализация водородных связей между молекулами. Над объяснением этого эффекта еще идет работа.
– Не буду делать из этого секрета – весь этот метод использования водорода в некотором смысле был достаточно неожиданным. То есть, я не могу сказать, что мы запланировали и решили, что если мы посадим водород на иглу, то произойдет все именно так. Просто однажды мы увидели некоторые странные эффекты в нашем низкотемпературном туннельном микроскопе, ну и потом решили докопаться до причин. Ушло на это порядка, наверно, полутора лет, пока мы поняли и научились воспроизводить условия, которые однажды случайно каким-то образом получились. Но почему молекула водорода, сидящая на поверхности иглы, становится чувствительной к водородным связям на том объекте, который мы исследуем, пока не совсем понятно
По сравнению с молекулой водорода атом гелия еще в несколько раз меньше – это вообще самый маленький из всех атомов. Не пытались ли вы "заострить" иглу атомом гелия?
– Мы об этом, естественно, сразу стали думать, но, чтобы повторить тот же эксперимент с гелием, нам нужны гораздо более низкие температуры. То есть, надо идти уже к температурам в 1-2 кельвина, а может и к субкельвиновским температурам. Для этого нужна совершенно другая техника, которая гораздо сложнее и дороже. Те микроскопы, на которых мы работаем сейчас, работающие при температуре 5-10 кельвинов, их достаточно уже много во всем мире – наверное, сотни. Микроскопов, которые работают при субкельвиновских температурах, их пока единицы. И каждый из этих микроскопов должен делаться руками исследователей, на это уходят годы. Сейчас мы как раз работаем над созданием такого микроскопа, но это займет как минимум еще год-два.
Что можно сказать о практическом применении сканирующего водородного микроскопа, в каких областях он может быть использован?
В электронике сейчас исследуются идеи по использованию одиночных молекул в роли электронных приборов. То есть, на основе одиночных молекул нам хочется строить транзисторы, а потом, на их основе, микропроцессоры. Но дело в том, что мы до конца даже не понимаем, каким образом течет ток через одну молекулу, и поэтому каждая возможность увидеть чуть-чуть больше помогает приобрести более углубленные фундаментальные познания об этих объектах. Конечно, говорить сейчас о каких-то индустриальных приложениях очень рано. Это просто метод для фундаментальных исследований. Он помогает нам увидеть некоторые объекты, которых мы раньше не видели, а только предполагали, что они существуют. Когда человек начинает что-то видеть, он гораздо быстрее начинает осознавать это и переводить в плоскость своей интуиции. Это, скорее всего, приведет к новым идеям, может быть даже направлениям, хотя и не сразу, видимо, ведущим к каким-то применениям.
В "Журнале Американского химического общества" опубликованы иллюстрации, на которых видны осажденные на металлическую подложку органические молекулы, а между ними в строго определенных местах просматриваются светлые полоски. Именно здесь должны проходить водородные межмолекулярные связи. Хотя о водородных связях говорится даже в школьном курсе химии, увидеть их никому еще не удавалось, а их природа до сих пор остается не вполне ясной. Рассказывает руководитель группы в исследовательском центре Юлих Руслан Темиров:
– Это не совсем химические связи, а наоборот слабые межмолекулярные взаимодействия. За счет водородных связей вода, например, жидкая, а большинство биологических молекул имеют такую форму, какую имеют. Связи возникают между специальными химическими группами в молекулах – одна групп них, например, оканчивается кислородом, а другая водородом. И вот считается, что эти водородные связи имеют некий смешанный характер. На мой взгляд, до конца их физика даже и не вполне понятна. Нам удалось пронаблюдать некий сигнал, то есть, по сути, мы получаем некие изображения. И мы увидели, что в местах, где, в общем-то, теоретики предсказывают наличие этих водородных связей, мы наблюдаем некую картинку. До сих пор мы не можем сказать точно, какой механизм приводит к возможности отображения этих связей, но они там есть.
Это просто метод для фундаментальных исследований. Он помогает нам увидеть некоторые объекты, которых мы раньше не видели, а только предполагали, что они существуют
Химическая связь вообще понятие довольно условное. Увидеть ее – это примерно как сфотографировать линию взгляда, которым обмениваются два человека в толпе. Сделать это удалось благодаря устройству, которое авторы называют сканирующим водородным микроскопом. Новый научный прибор является усовершенствованием изобретенного еще лет тридцать назад сканирующего туннельного микроскопа.
– Туннельный микроскоп был изобретен где-то в середине 1980-х годов. Эта техника позволила нам наблюдать единичные атомы и молекулы. Нужно взять очень острую металлическую иглу и поднести ее очень близко к поверхности. Если расстояние между иглой и металлом будем меньше одного нанометра (миллионной доли миллиметра), то за счет так называемого эффекта квантового туннелирования электроны смогут перепрыгивать из иглы в металл или наоборот. Измеряя так называемый туннельный ток, мы тогда можем очень четко мерить, топографию поверхности.
Разрешающая способность классического туннельного микроскопа ограничена качеством его иглы, которой он, как слепой палочкой, ощупывает изучаемую поверхность.
– Конечно, иглу невозможно контролировать, потому что все качество определяется буквально двумя-тремя атомами, которые находятся на самом конце. Пока нет методов, чтобы контролируемо создавать иглы с заданной атомной геометрией. Ограничение микроскопа состоит в том, что он чувствителен к плотности электронных состояний только лишь в достаточно узком интервале энергий. Обычно в этом интервале находятся электроны, которые очень слабо связаны со своими атомными ядрами и которые, в общем-то, как покрывало накрывают атомно-молекулярную структуру и скрывают от нас ее точные детали.
Чтобы проникнуть сквозь это покрывало внешних электронов, исследователи как бы заострили иглу, добившись того, чтобы на самом ее кончике постоянно находилась крошечная молекула водорода.
– В нашем эксперименте мы сажали на иглу молекулы водорода или дейтерия. И оказалось, что эти водород и дейтерий очень сильно изменяют чувствительность самого микроскопа. То есть, микроскоп теперь становится чувствительным к очень короткодействующим силам между вот этой молекулой водорода, сидящей на игле и поверхностью, включая и те электроны, которые сидят очень близко к атомным ядрам и, в том числе, к тем электронам, которые образуют химические связи между атомами.
Но каким способом удается заставить одну единственную молекулу водорода надежно закрепиться на кончике сканирующей иглы?
– Вся прелесть метода в том, что он очень прост. Для этого не нужно брать какой-то специальный инструмент и помещать на иглу эту маленькую молекулу, которую, в общем-то, никаким инструментом не переместишь. Микроскоп постоянно находится при температуре от 5 до 10 кельвинов, то есть, это температура, близкая к температуре жидкого гелия. Этот микроскоп, находится, естественно в сверхвысоком вакууме. В то время, когда мы делаем эксперименты, мы просто открываем вентиль с водородом. Игла является для водорода некой потенциальной ямой, самый ее кончик – это как раз и есть дно этой потенциальной ямы. Соответственно, одна из молекул обязательно в эту яму упадет. И когда мы сканируем, эта молекула, сидит в этой яме и следует за иглой. Все получается, в общем-то, само собой.
Интересно отметить, что сами авторы работы не до конца понимают, почему их метод работает, и каким образом достигается визуализация водородных связей между молекулами. Над объяснением этого эффекта еще идет работа.
– Не буду делать из этого секрета – весь этот метод использования водорода в некотором смысле был достаточно неожиданным. То есть, я не могу сказать, что мы запланировали и решили, что если мы посадим водород на иглу, то произойдет все именно так. Просто однажды мы увидели некоторые странные эффекты в нашем низкотемпературном туннельном микроскопе, ну и потом решили докопаться до причин. Ушло на это порядка, наверно, полутора лет, пока мы поняли и научились воспроизводить условия, которые однажды случайно каким-то образом получились. Но почему молекула водорода, сидящая на поверхности иглы, становится чувствительной к водородным связям на том объекте, который мы исследуем, пока не совсем понятно
По сравнению с молекулой водорода атом гелия еще в несколько раз меньше – это вообще самый маленький из всех атомов. Не пытались ли вы "заострить" иглу атомом гелия?
– Мы об этом, естественно, сразу стали думать, но, чтобы повторить тот же эксперимент с гелием, нам нужны гораздо более низкие температуры. То есть, надо идти уже к температурам в 1-2 кельвина, а может и к субкельвиновским температурам. Для этого нужна совершенно другая техника, которая гораздо сложнее и дороже. Те микроскопы, на которых мы работаем сейчас, работающие при температуре 5-10 кельвинов, их достаточно уже много во всем мире – наверное, сотни. Микроскопов, которые работают при субкельвиновских температурах, их пока единицы. И каждый из этих микроскопов должен делаться руками исследователей, на это уходят годы. Сейчас мы как раз работаем над созданием такого микроскопа, но это займет как минимум еще год-два.
Что можно сказать о практическом применении сканирующего водородного микроскопа, в каких областях он может быть использован?
В электронике сейчас исследуются идеи по использованию одиночных молекул в роли электронных приборов. То есть, на основе одиночных молекул нам хочется строить транзисторы, а потом, на их основе, микропроцессоры. Но дело в том, что мы до конца даже не понимаем, каким образом течет ток через одну молекулу, и поэтому каждая возможность увидеть чуть-чуть больше помогает приобрести более углубленные фундаментальные познания об этих объектах. Конечно, говорить сейчас о каких-то индустриальных приложениях очень рано. Это просто метод для фундаментальных исследований. Он помогает нам увидеть некоторые объекты, которых мы раньше не видели, а только предполагали, что они существуют. Когда человек начинает что-то видеть, он гораздо быстрее начинает осознавать это и переводить в плоскость своей интуиции. Это, скорее всего, приведет к новым идеям, может быть даже направлениям, хотя и не сразу, видимо, ведущим к каким-то применениям.
