За първи път в света е получена моментна снимка на молекулярна връзка. Структурата на водата Снимка на водна молекула под микроскоп

Каним ви да оцените снимките на финалистите, претендиращи за титлата „Фотограф на годината“ от Кралското фотографско общество. Победителят ще бъде обявен на 7 октомври, а изложбата на най-добрите творби ще се проведе от 7 октомври до 5 януари в Музея на науката в Лондон.

Издание PM

Структура на сапунен мехур от Ким Кокс

Сапунените мехурчета оптимизират пространството вътре в себе си и минимизират повърхността си за даден обем въздух. Това ги прави полезен обект на изследване в много области, по-специално в областта на материалознанието. Стените на мехурчетата сякаш текат надолу под действието на гравитацията: те са тънки отгоре и дебели отдолу.

„Маркиране на кислородни молекули“ от Ясмин Крауфорд

Изображението е част от последния голям проект на автора за магистърска степен по фотография във Falmouth University, където акцентът беше върху миалгичния енцефаломиелит. Крауфорд казва, че създава образи, които ни свързват с двусмисленото и непознатото.

„Спокойствие на вечността“, автор Евгений Самученко

Снимката е направена в Хималаите на езерото Госаикунда на надморска височина от 4400 метра. Млечният път е галактика, която включва нашата слънчева система: неясна ивица светлина в нощното небе.

„Объркан брашнен бръмбар“ от Дейвид Спиърс

Този малък бръмбар вредител заразява зърнени храни и продукти от брашно. Изображението е направено със сканиращ електронен микрограф и след това е оцветено във Photoshop.

Мъглявината Северна Америка от Дейв Уотсън

Мъглявината Северна Америка NGC7000 е емисионна мъглявина в съзвездието Лебед. Формата на мъглявината наподобява формата на Северна Америка – можете да видите дори Мексиканския залив.

Бръмбар елен от Виктор Сикора

Фотографът е използвал светлинен микроскоп с петкратно увеличение.

Телескоп Ловел от Мардж Брадшоу

„Бях очарован от телескопа Lovell в Jodrell Bank, откакто го видях на училищна екскурзия“, казва Брадшоу. Тя искаше да направи няколко по-подробни снимки, за да покаже облеклото му.

„Медуза с главата надолу“ от Мери Ан Чилтън

Вместо да плува, този вид прекарва времето си в пулсиране във водата. Цветът на медузите е резултат от ядене на водорасли.

Водороден атом, улавящ електронни облаци. И въпреки че съвременните физици дори могат да определят формата на протон с помощта на ускорители, водородният атом очевидно ще остане най-малкият обект, чието изображение има смисъл да се нарича снимка. "Лента.ру" представя преглед на съвременните методи за фотографиране на микросвета.

Строго погледнато, в наши дни почти не е останала обикновена фотография. Изображенията, които обичайно наричаме снимки и могат да бъдат намерени например във всяко фото есе на Lenta.ru, всъщност са компютърни модели. Фоточувствителна матрица в специално устройство (традиционно все още се нарича "камера") определя пространственото разпределение на интензитета на светлината в няколко различни спектрални диапазона, управляващата електроника съхранява тези данни в цифров вид и след това друга електронна схема, базирана на това данни, дава команда на транзисторите в течнокристалния дисплей. Филм, хартия, специални решения за тяхната обработка - всичко това се превърна в екзотика. И ако си спомним буквалното значение на думата, тогава фотографията е „светлинна живопис“. Така че какво да кажем, че учените са успели да снимаматом, е възможно само с доста условност.

Повече от половината от всички астрономически изображения отдавна са направени от инфрачервени, ултравиолетови и рентгенови телескопи. Електронните микроскопи облъчват не със светлина, а с електронен лъч, докато атомно-силовите микроскопи сканират релефа на пробата с игла. Има рентгенови микроскопи и скенери с магнитен резонанс. Всички тези устройства ни дават точни изображения на различни обекти и въпреки факта, че тук, разбира се, не е необходимо да говорим за "светлинна живопис", ние все пак си позволяваме да наричаме такива изображения снимки.

Експериментите на физици за определяне на формата на протона или разпределението на кварките вътре в частиците ще останат зад кулисите; нашата история ще бъде ограничена до мащаба на атомите.

Оптиката никога не остарява

Както се оказа през втората половина на 20 век, оптичните микроскопи все още имат какво да се развиват. Решаващ момент в биологичните и медицински изследвания беше появата на флуоресцентни багрила и методи, които позволяват селективно маркиране на определени вещества. Това не беше "просто нова боя", това беше истинска революция.

Противно на общоприетото погрешно схващане, флуоресценцията изобщо не е светене в тъмното (последното се нарича луминесценция). Това е феноменът на абсорбиране на кванти с определена енергия (да речем синя светлина), последвано от излъчване на други кванти с по-ниска енергия и съответно различна светлина (когато се абсорбира синьо, ще се излъчва зелено). Ако поставите филтър, който пропуска само квантите, излъчвани от багрилото, и блокира светлината, която причинява флуоресценция, можете да видите тъмен фон с ярки петна от багрила, а багрилата от своя страна могат да оцветят пробата изключително селективно .

Например, можете да оцветите цитоскелета на нервната клетка в червено, да маркирате синапсите в зелено и да маркирате ядрото в синьо. Можете да направите флуоресцентен етикет, който ще ви позволи да откриете протеинови рецептори на мембраната или молекули, синтезирани от клетката при определени условия. Методът на имунохистохимичното оцветяване революционизира биологичната наука. И когато генните инженери се научиха как да правят трансгенни животни с флуоресцентни протеини, този метод преживя прераждане: например мишки с неврони, боядисани в различни цветове, станаха реалност.

Освен това инженерите измислиха (и практикуваха) метод на така наречената конфокална микроскопия. Същността му се състои в това, че микроскопът фокусира върху много тънък слой, а специална диафрагма прекъсва светлината, създадена от обекти извън този слой. Такъв микроскоп може последователно да сканира проба отгоре надолу и да получи купчина изображения, което е готова основа за триизмерен модел.

Използването на лазери и сложни системи за контрол на оптичния лъч направи възможно решаването на проблема с избледняването на багрилото и изсъхването на деликатни биологични проби при ярка светлина: лазерният лъч сканира пробата само когато е необходимо за изобразяване. И за да не губите време и усилия за изследване на голям препарат през окуляр с тясно зрително поле, инженерите предложиха система за автоматично сканиране: можете да поставите стъкло с проба върху предметната сцена на модерен микроскоп и устройството самостоятелно ще заснеме широкомащабна панорама на цялата проба. В същото време, на правилните места, той ще фокусира и след това ще залепи много кадри заедно.

Някои микроскопи могат да приемат живи мишки, плъхове или поне малки безгръбначни. Други дават леко увеличение, но са комбинирани с рентгенов апарат. За да се елиминират вибрационните смущения, много от тях са монтирани на специални маси с тегло няколко тона на закрито с внимателно контролиран микроклимат. Цената на такива системи надвишава цената на други електронни микроскопи, а състезанията за най-красива рамка отдавна са се превърнали в традиция. Освен това подобряването на оптиката продължава: от търсенето на най-добрите видове стъкла и избора на оптимални комбинации от лещи, инженерите преминаха към начини за фокусиране на светлината.

Ние специално изброихме редица технически подробности, за да покажем, че напредъкът в биологичните изследвания отдавна е свързан с напредъка в други области. Ако нямаше компютри, способни автоматично да преброят броя на оцветените клетки в няколкостотин снимки, супермикроскопите нямаше да са много полезни. А без флуоресцентни багрила всички милиони клетки биха били неразличими една от друга, така че би било почти невъзможно да се проследи образуването на нови или смъртта на старите.

Всъщност първият микроскоп представлява скоба със сферична леща, прикрепена към нея. Аналог на такъв микроскоп може да бъде обикновена карта за игра с дупка, направена в нея и капка вода. Според някои доклади такива устройства са били използвани от златни миньори в Колима още през миналия век.

Отвъд границата на дифракция

Оптичните микроскопи имат основен недостатък. Факт е, че е невъзможно да се възстанови формата на онези обекти, които се оказаха много по-малки от дължината на вълната от формата на светлинни вълни: можете също така да опитате да изследвате фината текстура на материала с ръка в дебела ръкавица за заваряване.

Ограниченията, създадени от дифракцията, са частично преодолени и без да се нарушават законите на физиката. Две обстоятелства помагат на оптичните микроскопи да се гмурнат под дифракционната бариера: фактът, че по време на флуоресценция квантите се излъчват от отделни молекули на багрилото (които могат да бъдат доста далеч една от друга) и фактът, че чрез наслагване на светлинни вълни е възможно да се получи ярка светлина петно ​​с диаметър по-малък от дължината на вълната.

Когато се наслагват една върху друга, светлинните вълни могат да се компенсират взаимно, поради което параметрите на осветяване на пробата са такива, че възможно най-малката област попада в светлата област. В комбинация с математически алгоритми, които могат, например, да премахнат призрачните изображения, такова насочено осветление осигурява драстично подобрение в качеството на изображението. Става възможно например да се изследват вътреклетъчни структури с оптичен микроскоп и дори (комбинирайки описания метод с конфокална микроскопия) да се получат техните триизмерни изображения.

Електронен микроскоп преди електронни инструменти

За да открият атоми и молекули, учените не трябваше да ги гледат - молекулярната теория не трябваше да вижда обекта. Но микробиологията стана възможна едва след изобретяването на микроскопа. Следователно в началото микроскопите се свързват точно с медицината и биологията: физици и химици, които изучават много по-малки обекти, управлявани с други средства. Когато те също искаха да разгледат микрокосмоса, ограниченията на дифракцията се превърнаха в сериозен проблем, особено след като описаните по-горе методи на флуоресцентна микроскопия бяха все още неизвестни. И няма смисъл да се увеличава разделителната способност от 500 на 100 нанометра, ако обектът, който ще се разглежда, е още по-малък!

Знаейки, че електроните могат да се държат както като вълна, така и като частица, физиците от Германия създават електронна леща през 1926 г. Идеята, заложена в него, беше много проста и разбираема за всеки ученик: тъй като електромагнитното поле отклонява електроните, то може да се използва за промяна на формата на лъча на тези частици, като ги издърпвате в различни посоки, или, напротив, за намаляване на диаметър на гредата. Пет години по-късно, през 1931 г., Ернст Руска и Макс Нол създават първия в света електронен микроскоп. В устройството пробата първо беше осветена от електронен лъч, а след това електронната леща разшири лъча, който премина, преди да попадне върху специален луминисцентен екран. Първият микроскоп даде увеличение само 400 пъти, но замяната на светлината с електрони отвори пътя за фотографиране с увеличение стотици хиляди пъти: дизайнерите трябваше да преодолеят само няколко технически пречки.

Електронният микроскоп направи възможно изследването на структурата на клетките в качество, което преди беше недостижимо. Но от тази снимка е невъзможно да се разбере възрастта на клетките и наличието на определени протеини в тях, а тази информация е много необходима на учените.

Електронните микроскопи вече позволяват снимки на вируси в близък план. Има различни модификации на устройства, които позволяват не само да светят през тънки секции, но и да ги разглеждат в "отразена светлина" (в отразени електрони, разбира се). Няма да говорим подробно за всички опции за микроскопи, но отбелязваме, че наскоро изследователите са се научили как да възстановят изображение от дифракционен модел.

Докосвай, не виждай

Друга революция дойде за сметка на по-нататъшно отклонение от принципа „освети и виж“. Атомно-силовият микроскоп, както и сканиращият тунелен микроскоп вече не осветяват повърхността на пробите. Вместо това по повърхността се движи особено тънка игла, която буквално подскача дори върху неравности с размер на един атом.

Без да навлизаме в подробностите на всички подобни методи, отбелязваме основното: иглата на тунелен микроскоп може не само да се движи по повърхността, но и да се използва за пренареждане на атоми от място на място. Така учените създават надписи, рисунки и дори карикатури, в които нарисувано момче си играе с атом. Истински ксенонов атом, влачен от върха на сканиращ тунелен микроскоп.

Нарича се тунелен микроскоп, защото използва ефекта на тунелния ток, протичащ през иглата: електроните преминават през пролуката между иглата и повърхността поради тунелния ефект, предвиден от квантовата механика. Това устройство изисква вакуум, за да работи.

Атомно-силовият микроскоп (AFM) е много по-малко взискателен към условията на околната среда - той може (с редица ограничения) да работи без изпомпване на въздух. В известен смисъл AFM е нанотехнологичният наследник на грамофона. Игла, монтирана на тънка и гъвкава конзолна скоба ( конзолаи има „скоба“), се движи по повърхността, без да прилага напрежение към нея и следва релефа на образеца по същия начин, както грамофонната игла следва жлебовете на грамофонна плоча. Огъването на конзолата води до отклонение на огледалото, фиксирано върху него, огледалото отклонява лазерния лъч и това дава възможност много точно да се определи формата на изследваната проба. Основното нещо е да имате доста точна система за движение на иглата, както и запас от игли, които трябва да са идеално остри. Радиусът на кривината на върховете на такива игли не може да надвишава един нанометър.

AFM ви позволява да видите отделни атоми и молекули, но подобно на тунелен микроскоп не ви позволява да погледнете под повърхността на пробата. С други думи, учените трябва да избират между възможността да видят атоми и възможността да изучават целия обект. Въпреки това, дори за оптични микроскопи, вътрешностите на изследваните проби не винаги са достъпни, тъй като минералите или металите обикновено пропускат светлина слабо. Освен това все още има трудности при фотографирането на атоми - тези обекти изглеждат като прости топки, формата на електронни облаци не се вижда на такива изображения.

Синхротронното лъчение, което възниква по време на забавянето на заредени частици, разпръснати от ускорители, дава възможност за изследване на вкаменени останки от праисторически животни. Чрез въртене на пробата под рентгенови лъчи можем да получим триизмерни томограми - така например е открит мозъкът в черепа на риба, изчезнала преди 300 милиона години. Можете да направите без въртене, ако регистрацията на предаваното лъчение е чрез фиксиране на рентгеновите лъчи, разпръснати поради дифракция.

И това не са всички възможности, които рентгеновите лъчи отварят. Когато се облъчват с него, много материали флуоресцират, а химичният състав на веществото може да се определи от естеството на флуоресценцията: по този начин учените оцветяват древните артефакти, произведенията на Архимед, изтрити през Средновековието, или цвета на перата на отдавна изчезнали птици.

Позиращи атоми

На фона на всички възможности, предоставени от рентгенови или оптични флуоресцентни методи, нов начин за фотографиране на отделни атоми вече не изглежда като толкова голям пробив в науката. Същността на метода, който направи възможно получаването на изображенията, представени тази седмица, е следната: електроните се изтръгват от йонизирани атоми и се изпращат към специален детектор. Всеки акт на йонизация отнема електрон от определена позиция и дава една точка на "снимката". След като натрупаха няколко хиляди такива точки, учените формираха картина, показваща най-вероятните места за намиране на електрон около ядрото на атома, а това по дефиниция е електронен облак.

В заключение нека кажем, че способността да се виждат отделни атоми с техните електронни облаци е по-скоро като черешка на тортата на съвременната микроскопия. За учените беше важно да изучават структурата на материалите, да изучават клетки и кристали, а развитието на технологиите, произтичащи от това, направи възможно достигането до водородния атом. Всичко по-малко вече е сферата на интересите на специалистите по физика на елементарните частици. И биолозите, учените по материали и геолозите все още имат място да подобрят микроскопите дори с доста скромно увеличение в сравнение с атомите. Експерти по неврофизиология, например, отдавна искат да имат устройство, което може да види отделни клетки в живия мозък, а създателите на роувъри биха продали душите си за електронен микроскоп, който да се побере на борда на космически кораб и да работи на Марс.

Бичът от края на 20-ти век, причинил смъртта на Фреди Меркюри, пренасящ всяка година хиляди хора отвъд границата на невъзможността за връщане към света на живите.
Врагът на човечеството трябва да се познава в, гледаме и помним молекулата на вируса на СПИН, който в научните среди носи псевдонима ХИВ.

Това е приблизително начинът, по който клетките се делят на себеподобни.
На снимката моментът на делене на дрождената клетка.

Всяко биологично същество, независимо дали е човек или растение, е изградено от гени.
Цяла верига от гени по принцип, от които зависи много, поради липсата на определени гени, човек лесно се превръща в растение. Обратният процес все още не е наблюдаван в природата.
На снимката генът на растението е Arabidopsis, тук е в 3D.

Да, вероятно всеки ученик ще разпознае тази снимка!
Доматено семе, заобиколено от малки власинки, които се усещат като слуз на допир. Защита на семената от преждевременно изсушаване.

Ето я, мечтаната мечта на по-голямата част от човечеството!
За притежанието му са се водили дълги и кървави войни, минувачите са били убивани и ограбвани в портата. Цялата история на човечеството е замесена в това.

За първи път в света учените успяха да получат визуално изображение на молекула в разделителната способност на единични атоми в процеса на пренареждане на нейните молекулни връзки. Полученото изображение се оказа учудващо подобно на картинки от учебниците по химия.

Досега учените можеха да правят само хипотетични заключения относно молекулярните структури. Но с помощта на новата технология отделните атомни връзки - всяка с дължина няколко десетмилионни от милиметъра - свързващи 26-те въглеродни атома и 14-те водородни атома в тази молекула, стават ясно видими. Резултатите от това проучване бяха публикувани на 30 май в списание Science.

Екипът от експериментатори първоначално имаше за цел да сглоби прецизно наноструктури от графен, еднослоен атомен материал, в който въглеродните атоми са подредени в повтарящ се шестоъгълен модел. Създаването на въглеродна пчелна пита изисква пренареждане на атоми от линейна верига към шестоъгълна мрежа; такава реакция може да създаде няколко различни молекули. Химикът от Бъркли Феликс Фишер и колегите му искаха да визуализират молекулите, за да се уверят, че правят всичко както трябва.

Съдържащата въглерод молекула на снимката е показана преди и след нейното пренареждане, с включването на два от най-често срещаните реакционни продукти. Мащаб на изображението - 3 ангстрьома, или 3 десетмилиардни от метъра

За да документира рецептата за графен, Фишър се нуждаеше от много мощен оптичен инструмент и той използва атомен микроскоп, разположен в лаборатория на университета в Бъркли. Безконтактните атомни микроскопи използват изключително чувствителен стилус за четене на електрическите сили, произведени от молекулите; докато върхът на иглата се движи по повърхността на молекулата, той се отклонява от различни заряди, създавайки изображение на това как са подредени атомите и връзките между тях.

С негова помощ екипът от изследователи успя не само да визуализира въглеродните атоми, но и връзките, създадени от електрони между тях. Те поставят пръстеновидна молекула върху сребърна повърхност и я нагряват, за да променят формата си. Последвалото охлаждане успя да фиксира реакционните продукти, сред които бяха три неочаквани компонента и една молекула, която учените очакваха.

други презентации за молекулярна физика

„Ядрена енергия на свързване“ – Елементите с масови числа от 50 до 60 имат максимална енергия на свързване (8,6 MeV/нуклон) – Дефект на масата. Кулонските сили се стремят да разрушат ядрото. Енергията на свързване на нуклоните на повърхността е по-малка от тази на нуклоните вътре в ядрото. Uchim.net. Енергия на свързване на атомните ядра. Специфична енергия на свързване. Уравнението на Айнщайн между маса и енергия:

"Структура на атомното ядро" - брояч на Гайгер Облачна камера. Радий (лъчист). Използването на радиоактивно лъчение. Мария Склодовска-Кюри и Пиер Кюри. Бекерел Антоан Анри - 1897г Термоядреният синтез е реакция на синтез на леки ядра. M-масово число - масата на ядрото, броят на нуклоните, броят на неутроните M-Z. полоний. Верижна ядрена реакция.

"Прилагане на фотоелектричния ефект" - Държавна образователна институция НПО Професионален лицей № 15. Историята на откриването и изследването на фотоелектричния ефект. Изпълнител: учител по физика Варламова Марина Викторовна. Уравнението на Айнщайн за фотоелектричния ефект А. Айнщайн. наблюдение на фотоелектричния ефект. Столетов А.Г. Силата на тока на насищане е пропорционална на интензитета на радиацията, падаща върху катода.

"Структурата на ядрото на атома" - А. 10 -12. Радиоактивна трансформация на атомни ядра. Следователно радиацията се състои от потоци от положителни частици, отрицателни и неутрални. 13 - 15. 1896 г. Анри Бекерел (френски) открива явлението радиоактивност. Означава се - , има маса? 1a.u.m. и зарядът е равен на заряда на електрона. 5. Атомът е неутрален, т.к зарядът на ядрото е равен на общия заряд на електроните.

"Състав на атомното ядро" - Масово число. ЯДРЕНИ СИЛИ - сили на привличане, които свързват протоните и неутроните в ядрото. Ядрени сили. Общ изглед на обозначението на ядрото. Номер на таксата. Числото на заряда е равно на заряда на ядрото, изразен в елементарни електрически заряди. Зарядното число е равно на поредния номер на химичния елемент. Много пъти по-голяма от силите на Кулон.

"Плазмен синтез" - Срок на изграждане 8-10 години. Благодаря за вниманието. Изграждане и инфраструктура на ITER. Създаване на ТОКАМАК. Проектни параметри на ITER. Създаване на ITER (ITER). 5. Приблизителна цена 5 милиарда евро. Термоядрени оръжия. Приносът на Русия в реактора ITER. 2. Предимството на термоядрената енергия. Енергийни изисквания.