Vědci poprvé v historii vyfotografovali molekulu

V curyšské laboratoři firmy IBM se poprvé v dějinách lidstva podařilo pořídit fotografický snímek skutečné molekuly. Obraz ovšem nevznikl čistě optickou cestou.

První fotografický snímek skutečné molekuly | foto: IBM Research - Zurich

Přestože jsme v minulosti měli možnost vidět už i obrazy jednotlivých atomů, které byly pořízeny díky nejmodernějším mikroskopům, je to značný pokrok. I když jsou atomy mnohem menší, molekuly jsou velmi citlivé na jakékoli zásahy zvenčí, což dosud jejich fotografování znemožňovalo.

Neexistovalo totiž zařízení, které by je mohlo přímo "vyfotit". Používat termín fotografie ale není úplně na místě, protože obraz nevznikl čistě optickou cestou, ale byl vytvořen měřením interakcí mezi špičkou sondy mikroskopu atomárních sil a pozorovanou molekulou. Naměřená data pak zpracoval software mikroskopu, který také vytvořil výsledný obraz molekuly.

Obrazy atomárních struktur

"Není to sice přesné přirovnání, ale stejně jako doktor používá rentgenové paprsky k zobrazení kostí a orgánů, my používáme mikroskop atomárních sil ke znázornění atomárních struktur, které jsou páteří individuální molekuly," tvrdí Gerhard Meyer, který vedl práce na projektu.

"Metoda skenování nabízí úžasný potenciál pro vytvoření vzoru komplexních funkčních struktur a pro výrobu a studium jejich elektronických a chemických vlastností v atomovém měřítku." Nová technologie zobrazování molekul by se měla významně projevit ve většině přírodovědeckých oborů, které mají něco společného s nanotechnologiemi, ať už v biologii, chemii či molekulární elektronice.

Mikroskopy TEM a STM

První obrazy individuálních atomů pocházejí už z roku 1970 a byly pořízeny transmisním elektronovým mikroskopem (TEM, Transmission Electron Microscop). V podstatě funguje stejně jako klasický světelný mikroskop, jen místo fotonů využívá elektronů.

Nutno podotknout, že TEM nebyl v 70. letech minulého století zdaleka ničím novým, jeho první exemplář byl totiž vyroben už v roce 1931 a to německými výzkumníky Maxem Knollem a Ernstem Ruskem. Elektronový mikroskop se ale k zobrazování molekul příliš nehodí, neboť elektrony narušují spojení mezi atomy tvořícími molekuly.

Další možností, jak zobrazit jednotlivé atomy, je použít řádkovací tunelový mikroskop (STM, Scanning Tunnelling Microscope), který vynalezli roku 1981 fyzikové Gerd Binnig a Heinrich Rohrer (mimochodem opět Němci). Jejich objev znamenal skutečnou revoluci ve zkoumání povrchů látek. Ohromující je především neuvěřitelná přesnost mikroskopu, neboť STM dokáže rozlišit i objekty menší než atom.

Skenovací tunelový mikroskop využívá ke své činnosti efektu kvantového tunelování, povrch vzorku mapuje měřením velikosti tunelového proudu protékajícího mezi zkoumaným povrchem a snímací sondou. Mikroskop je možné využít i pro manipulaci s jednotlivými atomy. Je jasné, že Nobelova cena za tak důležitý objev na sebe nedala dlouho čekat (1986).

AFM – standard současné mikroskopie

Přes své nesporné kvality má STM přece jen jednu nevýhodu, je možné ho použít pouze u elektricky vodivých materiálů. Další pokrok ale přišel poměrně záhy, už v roce 1985 byl vynalezen mikroskop atomárních sil (AFM, atomic force microscope), který umožňuje zkoumat povrch prakticky libovolné látky od vodičů přes izolanty až po organické sloučeniny.

Molekula

U jeho zrodu stál opět Gerd Binnig, tou dobou v Kalifornii na návštěvě u IBM (spoluautoři Cal Quate a Christoph Gerber). Obraz mikroskopu se vytváří laserovým měřením výkyvů diamantového hrotu zavěšeného na pružném raménku.

Kolísání raménka v podstatě odpovídá velikosti atomárních sil působících mezi povrchem a špičkou sondy, kterou v ideálním případě tvoří jeden jediný atom. V dnešní době je AFM standardním nástrojem pro studium povrchů. Také proto ho využili i pracovníci firmy IBM při zhotovování fotografie molekuly.

Molekulární interakce

Jako zkoumaný vzorek si vědci vybrali organickou molekulu pentacenu C22H14, polycyklického aromatického uhlovodíku, který obsahuje pět lineárně spojených benzenových jader. Jak vidno z chemického vzorce, molekulu tvoří 22 atomů uhlíku a 14 atomů vodíku, délka celé molekuly měří 1,4 nanometru.

Objevil se ale ještě jeden problém. Špička sondy AFM reaguje se zkoumanou molekulou, což pořízení jejího obrazu dost komplikuje. Proto se vědci rozhodli umístit na vrchol sondy mikroskopu molekulu pokud možno málo reaktivní látky, v tomto případě oxidu uhelnatého. V dané konfiguraci pak nehrozí, že by se zkoumaná molekula narušila nebo že by se nalepila na vrchol sondy.

Přitažlivé a odpudivé síly

Mezi hrotem sondy a molekulou pentacenu sice působí Van der Waalsovy síly, ale jejich přitažlivý účinek je kompenzován Pauliho vylučovacím principem. Je to jedno ze základních pravidel kvantové mechaniky, které tvrdí, že žádné dva elektrony (obecně fermiony, mezi než elektrony patří) nemohou být ve stejném kvantovém stavu.

Díky tomu mezi elektrony pentacenu a elektrony oxidu uhelnatého vzniká malá odpudivá síla, která obě molekuly drží od sebe, čímž je zajištěna správná funkce mikroskopu AFM. Vzdálenosti mezi atomy uhlíku v molekule pentacenu činí pouhých 0,14 nanometrů. Na obrázku je jasně vidět hexagonální formát pěti benzenových jader a rozmístění všech uhlíkových atomů.

Z obrázku lze odvodit i pozice jednotlivých atomů vodíku. Optimálního kontrastu bylo dosaženo, když špička sondy mikroskopu byla od molekuly vzdálena 0,5 nanometrů. Celé měření, které nakonec vedlo k vytvoření jedinečného anatomického obrazu molekuly pentacenu, zabralo 20 hodin práce mikroskopu.

Zdroje:

www.zurich.ibm.com
www.wikipedia.org

Autor:
  • Nejčtenější

Kam pro filmy bez Ulož.to? Přinášíme další várku streamovacích služeb do TV

v diskusi je 125 příspěvků

26. března 2024

S vhodnou aplikací na vás mohou v televizoru na stisk tlačítka čekat tisíce filmů, seriálů nebo...

Z jaderné triády zbyly Britům už jen ponorky. A ty musejí posílit

v diskusi je 76 příspěvků

27. března 2024

Jadernou triádu tvoří strategické bombardéry s jadernými zbraněmi, mezikontinentální balistické...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Hlučínsko patří nám. Před 100 lety byl podepsán definitivní protokol o hranici

v diskusi je 29 příspěvků

28. března 2024

Před 100 lety definitivně skončily tahanice o československo-německé hranice. 28. března 1924 byl...

Rusko zastavilo odlet na ISS s první Běloruskou, letět měla i Američanka

v diskusi je 50 příspěvků

21. března 2024  10:23,  aktualizováno  14:26

Ve čtvrtek 21. března se necelých deset minut před půl třetí odpoledne měla vydat na Mezinárodní...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Načapali jsme otesánka, který se velkého sousta nezalekne. Boeing 747-400F

v diskusi je 8 příspěvků

21. března 2024

Poté, co na Letiště Václava Havla Praha přestaly v barvách Qatar Airways létat nákladní Boeingy...

Dočasná raketa se po téměř 70 letech loučí. Nyní startuje naposledy

v diskusi jsou 3 příspěvky

28. března 2024  15:36

Tento čtvrtek stojí na startovací rampě mysu Canaveral poslední potomek raket Thor, nosič Delta IV...

Američané odepsali modul, který je vrátil po půl století na Měsíc

v diskusi je 20 příspěvků

28. března 2024,  aktualizováno  11:41

Od začátku letošního roku je na Měsíci a kolem něj poměrně rušno. Vedle řady sond, které zamířily...

Hlučínsko patří nám. Před 100 lety byl podepsán definitivní protokol o hranici

v diskusi je 29 příspěvků

28. března 2024

Před 100 lety definitivně skončily tahanice o československo-německé hranice. 28. března 1924 byl...

Úspěšný let prototypu XB-1 vrací do hry cestování nadzvukovou rychlostí

v diskusi je 34 příspěvků

27. března 2024  17:17

Po více než dvaceti letech, od ukončení provozu letounu Concorde, se možná opět dočkáme nadzvukové...

Šárka Hamrusová: Díky laktační poradkyni jsem si přestala myslet, že je chyba ve mně
Šárka Hamrusová: Díky laktační poradkyni jsem si přestala myslet, že je chyba ve mně

Šárka chtěla kojit. Chvíli to ale vypadalo, že se jí to nepodaří. Díky správně zvolené laktační poradkyni nakonec dosáhla úspěchu. Poslechněte si...

Rána pro britskou monarchii. Princezna Kate má rakovinu, chodí na chemoterapii

Britská princezna z Walesu Kate (42) se léčí s rakovinou. Oznámila to sama ve videu na sociálních sítích poté, co se...

Smoljak nechtěl Sobotu v Jáchymovi. Zničil jsi nám film, řekl mu

Příběh naivního vesnického mladíka Františka, který získá v Praze díky kondiciogramu nejen pracovní místo, ale i...

Rejžo, jdu do naha! Balzerová vzpomínala na nahou scénu v Zlatých úhořích

Eliška Balzerová (74) v 7 pádech Honzy Dědka přiznala, že dodnes neví, ve který den se narodila. Kromě toho, že...

Pliveme vám do piva. Centrum Málagy zaplavily nenávistné vzkazy turistům

Mezi turisticky oblíbené destinace se dlouhá léta řadí i španělská Málaga. Přístavní město na jihu země láká na...

Kam pro filmy bez Ulož.to? Přinášíme další várku streamovacích služeb do TV

S vhodnou aplikací na vás mohou v televizoru na stisk tlačítka čekat tisíce filmů, seriálů nebo divadelních...