За първи път в света е получено изображение на молекулярна връзка. Структура на водата Снимка на водна молекула под микроскоп

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

Редакционен ЛС

„Структурата на сапунения мехур“ от Ким Кокс

Сапунените мехурчета оптимизират пространството в тях и минимизират повърхността им за даден обем въздух. Това ги прави полезен изследователски обект в много области, особено в материалознанието. Стените на мехурчетата сякаш текат надолу под въздействието на гравитацията: те са тънки отгоре и дебели отдолу.

„Маркиране на кислородни молекули“ от Ясмин Крауфорд

Снимката е включена в последната основен проектавтор като част от магистърската си степен по фотография във Фалмутския университет, фокусиран върху миалгичния енцефаломиелит. Крауфорд казва, че създава образи, които ни свързват с двусмисленото и непознатото.

“Спокойствието на вечността”, автор Евгений Самученко

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

„The Confused Flour Bug“ от Дейвид Спиърс

Този малък вредител заразява зърнени култури и продукти от брашно. Изображението е заснето с помощта на сканираща електронна микрофотография 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 Северна Америка— можете дори да видите Мексиканския залив.

„Бръмбар елен“ от Виктор Сикора

Фотографът е използвал светлинен микроскоп при петкратно увеличение.

„Телескопът 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 износването му.

„Медуза с главата надолу“ от Мери Ан Чилтън

Вместо да плува, този вид прекарва времето си пулсирайки във водата. Цветът на медузите е резултат от яденето на водорасли.

Водороден атом, улавящ електронни облаци. И въпреки че съвременните физици, използвайки ускорители, могат дори да определят формата на протон, водородният атом очевидно ще остане най-малкият обект, чието изображение има смисъл да се нарича снимка. Lenta.ru представя преглед съвременни методифотографиране на микросвета.

Строго погледнато, в наши дни почти не е останала обикновена фотография. Изображенията, които обикновено наричаме снимки и могат да бъдат намерени например във всеки фоторепортаж на Lenta.ru, всъщност са компютърни модели. Светлочувствителна матрица в специално устройство (традиционно продължава да се нарича „камера“) определя пространственото разпределение на интензитета на светлината в няколко различни спектрални диапазона, управляващата електроника записва тези данни в цифров вид, а след това още електронна схемаВъз основа на тези данни той дава команди 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“. И така, какво можем да кажем, че учените успяха 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 лъч електрони, докато атомно-силовите микроскопи дори 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, няма нужда да говорим за „светлинна живопис“, ние все пак ще си позволим да наречем такива изображения снимки.

Експериментите на физиците 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-ти век, оптичните микроскопи все още имат място за подобрение. Решаващ момент в биологичните и медицински изследвания беше появата на флуоресцентни багрила и методи, които позволяват селективното маркиране на определени вещества. Не беше просто нова боя“, това беше истинска революция.

Противно на общоприетото 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) с последващо излъчване на други кванти с по-ниска енергия и съответно друга светлина (когато се абсорбира синьо, ще се излъчват зелени). Ако инсталирате светлинен 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 нарисувате цитоскелета нервна клеткачервено, синапсите са подчертани в зелено, а 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 направи революция биологична наука. И когато генните инженери се научиха да правят трансгенни животни с флуоресцентни протеини, този метод преживя прераждане: например мишки с цветни различни цветовеневрони.

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

Използването на лазери и сложни системи за контрол на оптичния лъч реши проблема с избледняването на багрилата и изсъхването на деликатни биологични проби под ярка светлина: лазерният лъч сканира пробата само когато е необходимо за изобразяване. И за да не губите време и усилия за изследване на голям образец през окуляр с тясно зрително поле, инженерите предложиха автоматична системасканиране: можете да поставите чаша с проба на сцената на модерен микроскоп и устройството самостоятелно ще направи широкомащабна панорама на цялата проба. В същото време той ще фокусира на правилните места и след това ще съедини много кадри.

Някои микроскопи могат да съдържат живи мишки, плъхове или поне малки безгръбначни животни. Други осигуряват леко увеличение, но са комбинирани с рентгенов апарат. За да се елиминират смущенията от вибрациите, много от тях са монтирани на специални маси с тегло няколко тона в помещения 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 продължава подобряването на оптиката: от търсенето най-добрите сортовестъкло и избирайки оптимални комбинации от лещи, инженерите преминаха към начини за фокусиране на светлината.

Ние специално изброихме редица технически подробности, за да покажем: напредък в областта биологични изследванияотдавна се свързва с напредъка в други области. Ако нямаше компютри, които можеха автоматично да преброят броя на оцветените клетки в няколкостотин снимки, супермикроскопите нямаше да са много полезни. А без флуоресцентни багрила всичките милиони клетки биха били неразличими една от друга, така че би било почти невъзможно да се наблюдава 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 прост карта за играс направена дупка в нея и капка вода. Според някои източници подобни устройстваизползван от златните миньори в Колима още през миналия век.

Отвъд границата на дифракция

Оптичните микроскопи имат основен недостатък. Факт е, че с помощта на формата на светлинните вълни е невъзможно да се реконструира формата на онези обекти, които се оказаха много по-къси от дължината на вълната: със същия успех можете да опитате да изследвате фината текстура на материала с ръката си дебела ръкавица за заваряване.

Ограниченията, създадени от дифракцията, са частично преодолени, 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 поради наслагването на светлинни вълни е възможно да получите светло петно ​​с диаметър, по-малък от дължината на вълната.

Когато се наслагват един върху друг светлинни вълниса способни взаимно да се гасят, така че параметрите на осветяване на пробата трябва да бъдат зададени така, че възможно най-малката област да попада в светлата област. В комбинация с математически алгоритми, които позволяват например премахване на призрачни изображения в изображението, такова насочено осветление осигурява рязко повишаване на качеството на снимане. Става възможно, например, да се изследват вътреклетъчни структури с помощта на оптичен микроскоп и дори (чрез комбиниране на описания метод с конфокална микроскопия) да се получат триизмерни изображения от тях.

Електронен микроскоп към 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 са били свързвани специално с медицината и биологията: физици и химици, които са изучавали значително по-малки обекти, са се задоволили с други средства. Когато искаха да разгледат микросвета, ограниченията на дифракцията се превърнаха в сериозен проблем, особено след като методите за флуоресцентна микроскопия, описани по-горе, бяха все още непознати. И няма смисъл да се увеличава резолюцията от 500 на 100 нанометра, ако обектът, който трябва да се изследва, 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 зад това беше много проста и разбираема за всеки ученик: тъй като електромагнитното поле отклонява електроните, то може да се използва за промяна на формата на лъч от тези частици, като ги раздалечава в различни посоки или, обратно, за намаляване на диаметъра на лъча. 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 лъч електрони, а след това електронна леща разшири лъча, който премина, преди да попадне върху специален луминисцентен екран. Първият микроскоп осигурява увеличение от само 400 пъти, но замяната на светлината с електрони отвори пътя към фотографията с увеличение от стотици хиляди пъти: дизайнерите трябваше да преодолеят само няколко технически пречки.

Електронният микроскоп направи възможно изследването на структурата на клетките в недостижимо преди това качество. Но от това изображение 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. Съществуват различни модификацииустройства, които позволяват не само да се осветяват тънки срезове, но и да се изследват в „отразена светлина“ (в отразени електрони, разбира се). Няма да говорим подробно за всички варианти на микроскопи, но отбелязваме, че наскоро изследователите са се научили да реконструират изображение от дифракционна картина.

Докосвайте, не гледайте

Друга революция се случи чрез по-нататъшно отклонение от принципа „светли и виждай“. Атомно-силовият микроскоп, както и сканиращият тунелен микроскоп вече не осветяват нищо върху повърхността на пробите. Вместо това по повърхността се движи особено тънка игла, която буквално подскача дори върху неравности с размера на отделен атом.

Без да навлизаме в подробности за 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.

Тунелният микроскоп се нарича микроскоп, защото използва ефекта на тунелен ток, протичащ през игла: електроните преминават през пролуката между иглата и повърхността поради предвиденото квантова механикатунелен ефект. 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 върху 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 грамофонна игла следва жлебовете на грамофонна плоча. Огъването на конзолата води до отклонение на огледалото, монтирано върху него, което отклонява лазерния лъч и това позволява 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 проба. С други думи, учените трябва да избират между възможността да видят атоми и възможността да изучават целия обект. Но дори и за оптични микроскопи вътрешността на изследваните проби не винаги е достъпна, тъй като минералите или металите обикновено не пропускат добре светлината. 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, когато заредените частици, ускорени от ускорители, се забавят, прави възможно изследването на вкаменени останки от праисторически животни. Завъртане на пробата под рентгенови лъчи, можем да получим триизмерни томограми - така например е открит мозъкът в черепа на риба, изчезнала преди 300 милиона години. Възможно е да се направи без въртене, ако предаваното лъчение се записва чрез записване на рентгенови лъчи, разпръснати поради дифракция.

И това не са всички възможности, които се отварят рентгеново лъчение. При облъчване с него много материали флуоресцират и по характера на флуоресценцията може да се определи химичен съставвещества: по този начин учените оцветяват древни артефакти, произведенията на Архимед, изтрити през Средновековието, или оцветяват перата на отдавна изчезнали птици.

Поза на атомите

На фона на всички възможности, които предоставят рентгеновите или оптико-флуоресцентните методи, нов начинфотографирането на отделни атоми вече не изглежда като голям пробив в науката. Същността на метода, който направи възможно получаването на изображенията, представени тази седмица, е следната: електроните се отделят от йонизираните атоми и се изпращат към специален детектор. Всеки акт на йонизация отстранява 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 откриване на електрон около ядрото на атома, а това по дефиниция е електронен облак.

В заключение, способността да се видят отделни атоми с техните електронни облаци е по-скоро черешката на тортата на съвременната микроскопия. За учените беше важно да изучават структурата на материалите, да изучават клетките и кристалите и произтичащото от това развитие на технологията направи възможно достигането до водородния атом. Всичко по-малко вече е сферата на интересите на специалистите по физика елементарни частици. А биолозите, учените по материали и геолозите все още имат място за подобряване на микроскопите, дори и с доста скромно увеличение в сравнение с фона на атомите. Специалистите по неврофизиология например отдавна искат да имат устройство, способно да виждат отделни клетки в живия мозък, а създателите на марсоходите биха продали душите си за електронен микроскоп, който може да се побере на борда космически кораби може да работи на Марс.

Бичът от края на 20 век, довел до смъртта на Фреди Меркюри, всяка година отвежда хиляди хора отвъд точката, от която няма връщане към света на живите.
Трябва да познавате врага на човечеството, да погледнете и да запомните молекулата на вируса на СПИН, който в научните среди носи псевдонима ХИВ.

Приблизително така клетките се делят на подобни.
Снимките показват момента на делене на клетките на дрождите.

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

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

Ето я, мечтаната мечта на по-голямата част от човечеството!
Притежаването на това се бореше дълго и кървави войни, убити и ограбени минувачи в портата. В това е замесена цялата история на човечеството.

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

Досега учените можеха да правят само спекулативни заключения относно молекулярните структури. Но с помощта нова технологияОтделните 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.

Експерименталният екип 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 в шестоъгълна мрежа; тази 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.

Молекулата, съдържаща въглерод на снимката, е показана преди и след като е била пренаредена, за да включва двата най-често срещани реакционни продукта. Мащаб на изображението – 3 ангстрьома или 3 десетмилиардни от метъра

За да документира рецептата за графен, Фишер се нуждаеше от много мощен оптичен инструменти той използва атомен микроскоп, разположен в лабораторията на университета в Бъркли. Безконтактните атомни микроскопи използват изключително чувствителен връх за отчитане 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, така че молекулата да променя формата си. Последвалото охлаждане успя да фиксира реакционните продукти, сред които имаше три неочаквани компонента и една молекула, която учените очакваха.

други презентации по 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. Силите на Кулон се стремят да разкъсат 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” - Гайгеров брояч Облачна камера. Радий (лъчист). Използване 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 - маса на ядрото, брой нуклони, брой неутрони M-Z. полоний. Верижна ядрена реакция.

“Приложение на фотоелектричния ефект” - Държава образователна институцияНПО Професионален лицей №15. История на откриването и изследването на фотоелектричния ефект. Изпълнител: учител по физика Марина Викторовна Варламова. 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.

„Структура на ядрото на атома“ - А. 10 -12. Радиоактивна трансформация на атомни ядра. Следователно радиацията се състои от потоци от положителни, отрицателни и неутрални частици. 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, защото 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. Обща формаобозначения на ядрото. Номер на таксата. Числото на заряда е равно на заряда на ядрото, изразен в елементарни електрически заряди. Номерът на таксата е равен на поредния номер химически елемент. Многократно 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 от 5 милиарда евро. Термоядрени оръжия. Приносът на Русия в реактора ITER. 2. Предимството на термоядрената енергия. Енергийни изисквания.