ดูอะตอมสัมผัสโมเลกุล

ดูอะตอมสัมผัสโมเลกุล

Arkady Kuramshin,
ผู้สมัครของเคมี
"เคมีและชีวิต" №5, 2017

Trurl เริ่มจับอะตอมขูดอิเล็กตรอนจากพวกเขาการนวดโปรตอนเพื่อให้นิ้วมือเพียงนิ้วเดียวทำให้แป้งโปรตอนวางอิเล็กตรอนรอบ ๆ และสำหรับอะตอมถัดไป ในเวลาน้อยกว่าห้านาทีในขณะที่เขาถือกล่องทองคำบริสุทธิ์อยู่ในมือของเขา: เขาให้มันไปที่ใบหน้าของเขา แต่เธอพยายามฟันบนแถบและพยักหน้าด้วยหัวของเขากล่าวว่า:
– อันที่จริงฉันทอง แต่ฉันไม่สามารถไล่ตามอะตอมได้เช่นนั้น ฉันใหญ่เกินไป
– ไม่มีอะไรที่เราจะให้อุปกรณ์พิเศษ! – ชักชวนให้เขา Trurl

Stanislav Lem, "Kiberiada"

สามารถแยกแยะอะตอมด้วยกล้องจุลทรรศน์หรือไม่เพื่อแยกแยะมันออกจากอะตอมอื่นเพื่อติดตามการทำลายหรือการก่อตัวของพันธะเคมีและเพื่อดูว่าโมเลกุลหนึ่งกลายเป็นตัวอื่นอย่างไร? ใช่ถ้าไม่ใช่กล้องจุลทรรศน์ง่ายๆ แต่เป็นกำลังของอะตอม และคุณไม่สามารถ จำกัด การสังเกตได้ เราอยู่ในช่วงเวลาที่กล้องจุลทรรศน์แรงเหวี่ยงของอะตอมไม่ได้เป็นแค่หน้าต่างเข้าไปในพิภพเล็ก ๆ วันนี้อุปกรณ์นี้สามารถใช้ในการเคลื่อนย้ายอะตอมทำลายพันธะเคมีศึกษาขีด จำกัด การยืดตัวของโมเลกุลเดี่ยวและแม้กระทั่งการศึกษาจีโนมของมนุษย์

จดหมายจากพิกเซลซีนอน

การพิจารณาอะตอมไม่ได้ง่ายนัก ประวัติของกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมกำลังเริ่มขึ้นในปี 1979 เมื่อ Gerd Karl Binnig และ Heinrich Rohrer ผู้ทำงานที่ IBM Research Center ใน Zurich เริ่มสร้างเครื่องมือที่จะช่วยให้สามารถศึกษาพื้นผิวด้วยความละเอียดของอะตอม นักวิจัยได้ตัดสินใจใช้ผลกระทบของการเชื่อมต่ออุโมงค์ – ความสามารถของอิเล็กตรอนที่จะเอาชนะอุปสรรคที่ดูเหมือนจะไม่สามารถผ่านได้ ความคิดคือการวัดความแรงของกระแสอุโมงค์ระหว่างหัววัดการสแกนกับพื้นผิวที่กำลังศึกษาเพื่อหาตำแหน่งของอะตอมในตัวอย่าง

Binnig และ Rohrer ประสบความสำเร็จและพวกเขาก็ลงไปในประวัติศาสตร์ในฐานะนักประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกน (STM) และในปี 1986 ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกนได้ทำการปฏิวัติทางฟิสิกส์และเคมีอย่างแท้จริง

มะเดื่อ 1 ภาพโดยที่ไอบีเอ็มได้ให้ความสำคัญกับกล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกนเป็นโลโก้ของ บริษัท ที่วางบนพื้นผิวนิกเกิลโดยมีอะตอมซีนอน

ในปี 1990 Don Eigler และ Erhard Schweizer ที่ทำงานที่ศูนย์วิจัยของไอบีเอ็มในแคลิฟอร์เนียแสดงให้เห็นว่า STM สามารถใช้งานได้ไม่เพียง แต่จะสังเกตอะตอมเท่านั้น แต่ยังสามารถจัดการกับพวกเขาได้การใช้กล้องจุลทรรศน์ในอุโมงค์สแกนทำให้พวกเขาสร้างภาพลักษณ์ที่เป็นที่นิยมมากที่สุดซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของการเปลี่ยนแปลงของนักเคมีในการทำงานกับอะตอมแต่ละตัวพวกเขาวาดสามอะตอมของอะตอมซีนอนไว้บนผิวนิกเกิล (รูปที่ 1)

ในปีที่ได้รับรางวัลโนเบลร่วมกับคริสเฟอร์เกอร์เบอร์และเคลวิน Quayt ผู้ซึ่งทำงานที่ IBM Zurich Research Center เขาเริ่มทำงานกับอุปกรณ์อื่นเพื่อศึกษา microworld ปราศจากข้อบกพร่องที่มีอยู่ใน STM ความจริงก็คือการใช้กล้องจุลทรรศน์ในอุโมงค์สแกนเป็นไปไม่ได้ที่จะศึกษาพื้นผิวอิเล็กทริกและเป็นเพียงตัวนำและเซมิคอนดักเตอร์และเพื่อวิเคราะห์หลังระหว่างกล้องกับกล้องจุลทรรศน์จำเป็นต้องสร้างสูญญากาศที่สำคัญ ตระหนักว่าการสร้างอุปกรณ์ใหม่นั้นทำได้ง่ายกว่าการอัพเกรดที่มีอยู่ Binnig, Gerber และ Quayte ได้คิดค้นกล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมหรือ AFM หลักการของการดำเนินงานแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง: เพื่อให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับพื้นผิวไม่ใช่แรงที่เกิดขึ้นระหว่างหัววัดกล้องจุลทรรศน์และตัวอยางที่ศึกษาแตคาของแรงที่นาสนใจระหวางซึ่งนั่นคืออันตรกิริยาที่ไมใชสารเคมีกับแรง Van der Waals

รูปแบบการทำงานแรกของ AFM ค่อนข้างง่ายนักวิจัยได้ขยับหัววัดเพชรที่เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์แบบมีความยืดหยุ่น (micromechanical sensor) แผ่นโลหะทองคำขาวเหนือพื้นผิวตัวอย่าง (สิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างหัววัดและอะตอมจะขึ้นอยู่กับแรงแห่งแรงดึงดูดและทำให้เกิดความผิดปกติของ piezoelectric) องศาของการดัดของ cantilever ได้รับการพิจารณาโดยใช้เซ็นเซอร์ piezoelectric – ในทำนองเดียวกันร่องและ crests ของเรซินไวนิลจะเปลี่ยนเป็นบันทึกเสียง การออกแบบกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมช่วยให้เขาสามารถตรวจจับแรงที่น่าสนใจได้ถึง 10-18 นิวตัน หนึ่งปีหลังจากการสร้างต้นแบบการทำงานนักวิจัยพยายามที่จะหาภาพพื้นผิวของกราไฟท์ที่มีความละเอียด 2.5 angstroms

ตลอดระยะเวลาสามทศวรรษที่ผ่านมา AFM ถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาวัตถุทางเคมีเกือบทุกชนิดตั้งแต่พื้นผิวของวัสดุเซรามิคไปจนถึงเซลล์ที่มีชีวิตและโมเลกุลของแต่ละบุคคลทั้งในสภาวะแบบคงที่และแบบพลวัต การตรวจกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมได้กลายเป็นผลงานของนักเคมีและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุและจำนวนเอกสารที่ใช้วิธีนี้ถูกพัฒนาขึ้นอย่างต่อเนื่อง (รูปที่ 2)

มะเดื่อ 2 พลศาสตร์ของการเพิ่มจำนวนของสิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์ที่วัสดุได้รับการใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมานักวิจัยได้ศึกษาถึงเงื่อนไขสำหรับการสัมผัสและการสัมผัสกับวัตถุที่ใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอม วิธีการติดต่อได้อธิบายไว้ข้างต้นมันขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ van der Waals ระหว่าง cantilever และพื้นผิว เมื่อทำงานในโหมด non-contact piezovibrator จะกระตุ้นการสั่นของหัววัดที่ความถี่หนึ่ง ๆ (โดยส่วนใหญ่จะเป็นจังหวะ) แรงกระทำจากพื้นผิวนำไปสู่ความจริงที่ว่าทั้งความกว้างและระยะของการสั่นของการเปลี่ยนแปลงการสอบสวน แม้จะมีข้อเสียของวิธีการสัมผัสแบบสัมผัส (ประการแรกความไวต่อเสียงรบกวนจากภายนอก) แต่จะช่วยลดผลกระทบของการสอบสวนกับวัตถุที่อยู่ระหว่างการศึกษาและเป็นเรื่องที่น่าสนใจสำหรับนักเคมีภัณฑ์

อาศัยการตรวจจับในการติดตามการเชื่อมต่อ

กล้องจุลทรรศน์อะตอมมิสไซน์สัมผัสได้เริ่มขึ้นเมื่อปีพ. ศ. 2541 ด้วยการทำงานของลูกศิษย์ของ Binnig – Franz Josef Gissibl เขาเป็นผู้เสนอให้ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าอ้างอิงความถี่ควอทซ์ที่มีเสถียรภาพเป็นตัวคาน หลังจากผ่านไป 11 ปีนักวิจัยจากห้องทดลองของ IBM Zurich ได้ทำการปรับเปลี่ยน AFM แบบไร้สัมผัสอีกอันหนึ่งคือบทบาทของเซ็นเซอร์ตรวจจับไม่ได้เป็นผลึกเพชรที่คมชัด แต่มีโมเลกุลหนึ่งคือคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งได้รับอนุญาตให้มีการเปลี่ยนแปลงไปสู่ความละเอียดของ subatomic ดังที่แสดงโดย Leo Gross จากแผนก IBM Zurich ในปี 2009 ด้วยความช่วยเหลือของ AFM เขามองไม่เห็นอะตอม แต่มีพันธะทางเคมีเมื่อได้รับภาพ "โมเลกุลเพนตาเซน" ที่อ่านได้อย่างชัดเจนและไม่น่าสงสัยเลย (รูปที่ 3; วิทยาศาสตร์, 2009, 325, 5944, 1110-1114, doi: 10.1126 / science.1176210)

มะเดื่อ 3 การสร้างภาพโมเลกุลของ pentacene ที่ตั้งอยู่บนพื้นผิวทองแดงโดยใช้กล้องจุลทรรศน์การขุดเจาะอุโมงค์ (และ) และกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม () เห็นได้ชัดว่าการเปลี่ยนจากอุปกรณ์หนึ่งไปยังอีกเครื่องหนึ่งเป็นการเพิ่มความละเอียดมาก

เพื่อให้แน่ใจว่าด้วยความช่วยเหลือของ AFM คุณสามารถมองเห็นพันธะเคมีได้ Leo Gross จึงตัดสินใจที่จะไปต่อและใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมเพื่อวัดความยาวและใบสั่งพันธบัตรซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการทำความเข้าใจโครงสร้างทางเคมีและคุณสมบัติของสาร

จำได้ว่าความแตกต่างในการสั่งซื้อพันธบัตรแสดงค่าความแตกต่างของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนและระยะทางระหว่างร่างกายที่แตกต่างกันระหว่างสองอะตอม (ในแง่ง่ายๆพันธะคู่จะสั้นกว่าหนึ่งเดียว) ในอีเทนคาร์บอน – คาร์บอนเป็นลำดับพันธบัตรหนึ่งในเอทิลีนมันเป็นสองและในโมเลกุลอะโรมาติกคลาสสิก, เบนซินคาร์บอน – คาร์บอนสั่งซื้อพันธบัตรมากกว่าหนึ่ง แต่น้อยกว่าสองและถือว่าเป็น 1.5

การกำหนดลำดับพันธะเป็นเรื่องยากมากเมื่อย้ายจากระบบอะโรมาติกง่ายไปเป็นระบบ cyclic แบบแบนหรือแบบกลุ่ม ดังนั้นคำสั่งของพันธบัตรใน fullerenes ประกอบด้วยวงจรห้าและหกสมาชิกคาร์บอนคอนเดนเสทสามารถใช้ค่าใด ๆ จากหนึ่งถึงสอง ความไม่แน่นอนเช่นเดียวกันนี้มีอยู่ในทางทฤษฎีในสารประกอบอะโรมาติก polycyclic

มะเดื่อ 4 โครงสร้างของโมเลกุล hexabenzacoronen (และ) และภาพเทียมของ hexabenzocoronen) โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม จดหมายผม หมายถึงพันธะ C – C ของวงแหวนกลางและJ – การเชื่อมต่อการเชื่อมต่อวงแหวนกลางกับอุปกรณ์ต่อพ่วง

ในปี 2012 Leo Gross ร่วมกับ Fabian Monom แสดงให้เห็นว่ากล้องจุลทรรศน์อะตอมที่มีหัววัดแบบสัมผัสโลหะที่ดัดแปลงด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์สามารถวัดความแตกต่างของการกระจายประจุอะตอมและระยะทางระหว่างกายวิภาคได้นั่นคือพารามิเตอร์ที่สัมพันธ์กับลำดับพันธะวิทยาศาสตร์, 2012, 337, 6100, 1326-1329, doi: 10.1126 / science.1225621)

ในการทำเช่นนี้พวกเขาศึกษาพันธบัตรเคมีสองชนิดในรูปฟูลเลอร์เรนซึ่งเป็นคาร์บอน – คาร์บอนพันธบัตรที่พบได้ทั่วไปในวัฎจักรคาร์บอน 6 แห่งที่มีสมาชิกหกคนซึ่งมีส่วนประกอบของ fullerene C60และคาร์บอน – คาร์บอนพันธบัตรร่วมกับห้าและหก – สมาชิกรอบกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมกำลังแสดงให้เห็นว่าการควบแน่นของวัฏจักรที่มีสมาชิก 6 ตัวจะก่อให้เกิดการมีเพศสัมพันธ์ที่สั้นและเป็นระเบียบมากขึ้นกว่าของชิ้นส่วน cyclic C6 และ C5. การศึกษาลักษณะของสารเคมีที่มีผลผูกพันใน hexabenzocoronena โดยรอบรอบซีกกลาง6 อีกหกรอบ C ตั้งอยู่สมมาตร6, ยืนยันผลของการสร้างแบบจำลองทางเคมีควอนตัมตามที่คำสั่งของพันธบัตร C – C ของแหวนกลาง (ในรูปที่ 4, ตัวอักษร ผม) ต้องมีขนาดใหญ่กว่าการเชื่อมโยงกันของวงแหวนนี้กับรอบต่อพ่วง (ในรูปที่ 4 ตัวอักษร J) ผลที่คล้ายกันนี้ได้รับสำหรับโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งประกอบด้วยวัฏจักรหกตัว

คำสั่งพันธบัตรและระยะห่างของ interatomic แน่นอนว่านักเคมีอินทรีย์ที่สนใจ แต่สำคัญกว่านั้นก็คือผู้ที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีพันธะเคมีการทำนายปฏิกิริยาและการศึกษาเกี่ยวกับกลไกของปฏิกิริยาทางเคมี อย่างไรก็ตามทั้งนักเคมีสังเคราะห์และผู้เชี่ยวชาญที่กำลังศึกษาโครงสร้างของสารประกอบธรรมชาติอยู่ในความประหลาดใจ: มันเปิดออกที่กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมสามารถใช้เพื่อสร้างโครงสร้างของโมเลกุลในลักษณะเดียวกับ NMR หรือ IR spectroscopyนอกจากนี้ยังให้คำตอบที่แจ่มแจ้งต่อคำถามซึ่งวิธีการเหล่านี้ไม่สามารถรับมือได้

จากการถ่ายภาพไปจนถึงโรงหนัง

ในปี 2010 Leo Gross และ Rainer Ebel เดิมสามารถสร้างโครงสร้างของสารประกอบตามธรรมชาติ – cephalandol A ซึ่งแยกได้จากแบคทีเรีย Dermacoccus abyssi (เคมีธรรมชาติ, 2010, 2, 821-825, doi: 10.1038 / nchem.765). องค์ประกอบของ cefalandol A ได้รับการสร้างขึ้นก่อนหน้านี้โดยใช้ mass spectrometry อย่างไรก็ตามการวิเคราะห์สเปกตรัม NMR ของสารประกอบนี้ไม่ได้ให้คำตอบที่แน่ชัดกับคำถามเกี่ยวกับโครงสร้างของมันนั่นคือมีตัวเลือกสี่ตัว การใช้กล้องจุลทรรศน์ของอะตอมโมเลกุลนักวิจัยได้ขจัดโครงสร้างสองในสี่ชิ้นออกเสียและจากสองตัวที่เหลือก็เป็นทางเลือกที่เหมาะสมโดยการเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้จากการใช้แบบจำลอง AFM และแบบควอนตัมเคมี งานนี้ไม่ใช่เรื่องง่ายเลย: ในทางตรงกันข้ามกับเพ็นเทนไนนเนลลีนและโคโรนาเนส cephalandol A มีคาร์บอนและอะตอมของไฮโดรเจนไม่เพียง แต่โมเลกุลนี้ไม่มีระนาบสมมาตร (รูปที่ 5) แต่ปัญหานี้ได้รับการแก้ไข

มะเดื่อ 5 ด้านซ้าย – โครงสร้างของ cefalandol A ซึ่งสามารถตรวจสอบได้ด้วยความช่วยเหลือของ AFM ด้านขวา – การสร้างภาพของผลการศึกษาสารประกอบธรรมชาติโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม

การยืนยันอีกครั้งว่ากล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมสามารถใช้เป็นเครื่องมือในการวิเคราะห์ได้จากกลุ่มออสการ์คินทันส์ในขณะที่ทำงานในโรงเรียนวิศวกรรมของมหาวิทยาลัยโอซาก้า เขาแสดงให้เห็นว่าการใช้ AFM เพื่อแยกแยะความแตกต่างของอะตอมที่ต่างจากคาร์บอนและไฮโดรเจนมากน้อยแค่ไหนธรรมชาติ, 2007, 446, 64-67, doi: 10.1038 / nature05530) Kostanz ตรวจสอบพื้นผิวของโลหะผสมประกอบด้วยซิลิคอนดีบุกและตะกั่วที่มีเนื้อหาที่รู้จักกันในแต่ละองค์ประกอบ อันเป็นผลมาจากการทดลองหลายครั้งเขาพบว่าแรงที่เกิดขึ้นระหว่างปลายของหัววัด AFM กับอะตอมที่ต่างออกไป (รูปที่ 6) ดังนั้นตัวอย่างเช่นปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งได้รับการสังเกตเมื่อซิลิกอนถูก probed และอ่อนแอที่สุด – เมื่อ probing ตะกั่ว

มะเดื่อ 6 แรงปฏิสัมพันธ์ของการตรวจสอบ AFM กับอะตอมต่างๆ (และ) และผลการศึกษาของผิวที่มีอะตอมที่ต่างกัน (, ใน)

สันนิษฐานว่าในอนาคตผลของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมเพื่อการรับรู้ของแต่ละอะตอมจะถูกประมวลผลในลักษณะเดียวกับผลลัพธ์ของ NMR เปรียบเทียบค่าสัมพัทธ์ เนื่องจากองค์ประกอบที่แน่นอนของเข็มเซ็นเซอร์จึงเป็นเรื่องยากที่จะควบคุมค่าสัมบูรณ์ของแรงระหว่างเซ็นเซอร์และอะตอมต่างๆของพื้นผิวขึ้นอยู่กับสภาวะการทดลองและแบรนด์ของอุปกรณ์ แต่อัตราส่วนของแรงเหล่านี้สำหรับองค์ประกอบและรูปแบบของเซ็นเซอร์จะคงที่สำหรับองค์ประกอบทางเคมีแต่ละชนิด

ในปี 2556 ตัวอย่างแรกของการใช้ AFM เพื่อให้ได้ภาพของโมเลกุลแต่ละส่วนก่อนและหลังเกิดปฏิกิริยาทางเคมีปรากฏว่ามีการสร้าง "ผลิตภัณฑ์" ของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาและตัวกลางที่สร้างขึ้นซึ่งคุณสามารถรวบรวมสารคดีชนิดต่างๆได้ (วิทยาศาสตร์, 2013, 340, 6139, 1434-1437; doi: 10.1126 / science.1238187)

Felix Fisher และ Michael Krommi จาก University of California ที่ Berkeley ใช้เบนซิน 1,2-bis [(2-ethynylphenyl) ethynyl] กับพื้นผิวของเงินจับโมเลกุลและอุ่นผิวเพื่อเริ่มต้นการเกิด cyclization ครึ่งหนึ่งของโมเลกุลเดิมกลายเป็นโครงสร้างอะโรมาติกแบบโพลีไซคลิกซึ่งประกอบไปด้วยเกล็ดห้าหกส่วนและสองรอบห้าอัน อีกหนึ่งในสี่ของโมเลกุลประกอบด้วยโครงสร้างประกอบด้วยสี่รอบหกชิ้นซึ่งเชื่อมต่อกันผ่านวงจรหนึ่งในสี่รอบและสองรอบห้าชิ้น (รูปที่ 7) ผลิตภัณฑ์ที่เหลือเป็นโครงสร้างขนาดเล็กและในปริมาณเล็กน้อย polyomyclic isomers

มะเดื่อ 7 การศึกษาปฏิกิริยาทางเคมี (วัสดุเริ่มต้น – 1,2-bis [(2-ethynylphenyl) ethynyl] เบนซีนและผลิตภัณฑ์ที่แสดง ในแถวล่าง) โดยใช้อุโมงค์การสแกน (แถวบนของภาพ) และแรงอะตอม (แถวกลางของภาพก) กล้องจุลทรรศน์

ผลลัพธ์เหล่านี้ทำให้นักวิจัยประหลาดใจสองครั้ง ประการแรกในระหว่างการเกิดปฏิกิริยามีเพียงสองผลิตภัณฑ์หลักเท่านั้นที่ถูกสร้างขึ้น ประการที่สองโครงสร้างของพวกเขาทำให้เกิดความประหลาดใจ ฟิชเชอร์กล่าวว่าสัญชาตญาณทางเคมีและประสบการณ์ได้นำเสนอผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่เป็นไปได้หลายสิบชนิด แต่ไม่มีใครตอบสนองต่อสารประกอบเหล่านี้ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิว บางทีการไหลของกระบวนการทางเคมีที่ผิดปกติมีผลต่อการปฏิสัมพันธ์ของวัสดุเริ่มต้นกับพื้นผิว

หลังจากที่ประสบความสำเร็จอย่างมากในการศึกษาพันธบัตรเคมีนักวิจัยบางคนตัดสินใจที่จะใช้ AFM เพื่อสังเกตปฏิกิริยาปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอและน้อยกว่าโดยเฉพาะอย่างยิ่งพันธะไฮโดรเจน อย่างไรก็ตามในพื้นที่ของการทำงานนี้เป็นเพียงจุดเริ่มต้นและผลของพวกเขาเป็นสิ่งที่ตรงกันข้าม ดังนั้นในบางสิ่งพิมพ์มีรายงานว่ากล้องจุลทรรศน์อะตอมบังคับให้เราสังเกตพันธะไฮโดรเจน (วิทยาศาสตร์, 2013, 342, 6158, 611-614, doi: 10.1126 / science.1242603) คนอื่น ๆ อ้างว่าสิ่งเหล่านี้เป็นเพียงสิ่งประดิษฐ์ที่เกิดจากคุณสมบัติการก่อสร้างของอุปกรณ์และผลการทดลองควรได้รับการตีความอย่างถูกต้องยิ่งขึ้น (จดหมายวิจารณ์ทางกายภาพ, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103 / PhysRevLett.113.186102) บางทีคำตอบสุดท้ายสำหรับคำถามว่าไฮโดรเจนและปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลอื่น ๆ สามารถสังเกตได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมจะได้รับแล้วในทศวรรษนี้หรือไม่ สำหรับเรื่องนี้จำเป็นต้องเพิ่มความละเอียดของ AFM อย่างน้อยหลายครั้งและเรียนรู้วิธีการรับภาพโดยไม่มีสัญญาณรบกวนการทบทวนทางกายภาพข, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103 / PhysRevB.90.085421)

การสังเคราะห์โมเลกุลเดี่ยว

ในมือที่ชำนาญทั้ง STM และ AFM จะเปลี่ยนจากอุปกรณ์ที่สามารถศึกษาสารเข้าไปในอุปกรณ์ที่สามารถเปลี่ยนโครงสร้างของสารในทิศทางได้ ด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์เหล่านี้เราได้ประสบความสำเร็จในการได้ "ห้องทดลองทางเคมีที่เล็กที่สุด" ซึ่งใช้สารตั้งต้นแทนขวดและแทนโมลหรือมิลลิโมลของสารตั้งต้นโมเลกุลที่แยกจากกัน

ตัวอย่างเช่นในปี 2016 ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดย Takashi Kumagai ใช้กล้องจุลทรรศน์อะตอมเพื่อตรวจจับอะตอมเพื่อถ่ายโอนโมเลกุล porphycine จากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งเคมีธรรมชาติ, 2016, 8, 935-940, doi: 10.1038 / nchem.2552)Porficin สามารถพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของ porphyrin ในวงจรภายในซึ่งมีอะตอมของอะตอม 4 อะตอมของไนโตรเจนและมีอะตอมของไฮโดรเจน 2 อะตอม การสั่นของหัววัด AFM ถ่ายเทพลังงานอย่างพอเพียงไปยังโมเลกุล porfithen เพื่อถ่ายเทไฮโดรเจนเหล่านี้จากอะตอมไนโตรเจนหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่งและผลที่ได้คือ "ภาพสะท้อน" ของโมเลกุลนี้ (รูปที่ 8)

มะเดื่อ 8 ด้วยความช่วยเหลือของกล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกนจึงเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนรูปแบบ tautomeric หนึ่งของ porfiten เป็นอีก

กลุ่มที่นำโดย Leo Gross ไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อยยังแสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่จะเริ่มต้นปฏิกิริยาของโมเลกุลเดียว – พวกเขาหัน dibroanthracene เป็นสิบ – สมาชิก cyclic diine (รูปที่ 9; เคมีธรรมชาติ, 2015, 7, 623-628, doi: 10.1038 / nchem.2300) ซึ่งแตกต่างจาก Kumagai et al. พวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกนเพื่อกระตุ้นโมเลกุลและตรวจสอบผลของปฏิกิริยาด้วยกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอม

มะเดื่อ 9 ได้จาก AFM (แถวล่าง) ภาพของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาย้อนกลับที่เรียกโดย STM

การใช้กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกนและกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมกำลังทำให้สามารถหาโมเลกุลที่ไม่สามารถสังเคราะห์ได้โดยใช้เทคนิคและวิธีการแบบเดิม (นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ, 2017, 12, 308-311, doi: 10.1038 / nnano.2016.305)นี่คือ triangulen ซึ่งเป็น biradical หอมที่ไม่เสถียรซึ่งมีการคาดการณ์ไว้เมื่อหกสิบปีก่อน แต่ความพยายามในการสังเคราะห์ทั้งหมดไม่ประสบความสำเร็จ (รูปที่ 10) นักเคมีจากกลุ่ม Niko Pavlichek ได้สารประกอบที่ต้องการด้วยการแยกอะตอมของไฮโดรเจนสองออกจากสารตั้งต้นโดยใช้ STM และยืนยันผลการสังเคราะห์โดยใช้ AFM

มะเดื่อ 10 โมเลกุล Triangulum (โครงสร้างที่แสดง ด้านขวา) ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม

สันนิษฐานว่าจำนวนเอกสารที่ทุ่มเทให้กับการใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมในเคมีอินทรีย์จะยังคงเติบโต ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากกำลังพยายามที่จะทำซ้ำบนผิวของปฏิกิริยาซึ่งเป็น "สารเคมีในการแก้ปัญหา" ที่รู้จักกันดี แต่บางทีนักเคมีสังเคราะห์จะเริ่มต้นทำซ้ำในการแก้ปัญหาปฏิกิริยาเหล่านั้นที่ถูกนำมาดำเนินการบนพื้นผิวด้วยความช่วยเหลือของ AFM

จากชีวิตที่ไม่มีชีวิต

กระเทนและหัววัดของกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมสามารถใช้ไม่เพียง แต่สำหรับการศึกษาวิเคราะห์หรือสังเคราะห์ของโมเลกุลแปลกใหม่ แต่ยังสำหรับการแก้ปัญหาที่ใช้ มีกรณีที่ทราบกันอยู่แล้วเกี่ยวกับการใช้ยา AFM ในทางการแพทย์เช่นในการตรวจหามะเร็งในระยะเริ่มต้นและที่นี่ผู้ริเริ่มคือ Christopher Gerber ผู้มีส่วนร่วมในการพัฒนาหลักการของกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมและการสร้าง AFM

ดังนั้น Gerber สามารถสอน AFM เพื่อหาจุดเปลี่ยนของ ribonucleic acid ใน melanoma (บนวัสดุที่ได้จากการตรวจชิ้นเนื้อ) ด้วยเหตุนี้จรวดสีทองของกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมได้รับการแก้ไขโดย oligonucleotides ที่สามารถโต้ตอบระหว่างโมเลกุลกับอาร์เอ็นเอและความแรงของปฏิสัมพันธ์นี้สามารถวัดได้ด้วยผลกระทบของ piezoelectric ความไวของเซนเซอร์ AFM นั้นเยี่ยมยอดมากจนได้พยายามใช้วิธีการแก้ไขจีโนมที่เป็นที่นิยม CRISPR-Cas9 แล้ว ที่นี่เทคโนโลยีที่สร้างขึ้นโดยนักวิจัยรุ่นต่างๆมารวมกัน

ถอดความคลาสสิกของทฤษฎีทางการเมืองเราสามารถพูดได้ว่าเราได้เห็นถึงความเป็นไปได้และความไม่สิ้นสุดของกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมและการแทบจะไม่สามารถจินตนาการถึงสิ่งที่อยู่ข้างหน้าในการเชื่อมต่อกับการพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้ต่อไป แต่วันนี้กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกนและกล้องจุลทรรศน์กำลังของอะตอมให้โอกาสเราในการดูอะตอมและสัมผัสพวกมัน เราสามารถพูดได้ว่านี่ไม่ใช่แค่ความต่อเนื่องของสายตาซึ่งช่วยให้เรามองเข้าไปในพิภพเล็ก ๆ ของอะตอมและโมเลกุล แต่ยังมีสายตาใหม่นิ้วใหม่ที่สามารถสัมผัสและควบคุมพิภพเล็ก ๆ ได้


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: