Микроскоп является, наверное, самым удобным инструментом, позволяющим разглядеть кирпичики мироздания. Сначала микроскопы представляли собой оптические системы, увеличение в которых достигалось с помощью линз, фокусирующих отраженные от исследуемого образца или прошедшие сквозь него световые лучи.
Затем с развитием техники оптические микроскопы уступили место электронным аналогам, где вместо световых волн используются сфокусированные потоки электронов. Они, подобно квантам света, поглощаются или рассеиваются различными веществами и материалами, но позволяют добиться увеличения куда большего, чем в оптических микроскопах. Связано это с явлением дифракции света, «огибания» электромагнитными волнами препятствий, которое не позволяет разглядеть в оптические устройства объекты меньше примерно 300 нм – этот размер соответствует ультрафиолетовому краю видимого света. Электроны также представляют собой волны (равно как и частицы), но длина их волны существенно меньше.
В настоящее время существует масса микроскопических методов, позволяющих проводить исследования в нанодиапазоне, – это сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая и так далее.
Наибольшего увеличения и разрешения на сегодняшний день можно добиться с помощью технологии трансмиссивной, или просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) высокого разрешения.
Тем не менее и такой аппарат не всесилен, увидеть в нем даже при разрешении в доли нанометра можно далеко не каждый атом.
Дело в том, что легкие атомы, такие как углерод, кислород, азот и уж тем более водород, обладающие небольшим количеством электронов, очень слабо рассеивают поток электронов. На фоне сигнала проводящей подложки, на которой лежит образец, и шума детектора сигнал этих атомов становится совершенно незаметным. Поэтому вплоть до последнего времени просвечивающая электронная микроскопия применялась в подавляющем большинстве случаев для исследования строения неорганических материалов, состоящих из тяжелых и богатых электронами атомов. Между тем азот, водород, кислород и углерод – это биогенные элементы, входящие в состав всех органических соединений, а потому представляют едва ли не больший интерес для ученых, нежели все неорганические материалы вместе взятые.
двумерный кристаллический углеродный материал, который удобно представить в виде одного слоя углеродных атомов, образующих слоистую структуру графита. Впервые экспериментально получен и описан этот материал был в 2004 году группой российских ученых, часть из которых трудится в настоящее время в Манчестерском университете под руководством Константина Новоселова, а часть двигает науку в стенах Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов в Черноголовке.
Графен очень прочен и гибок, так как его структура в пересчете на всю площадь образца, сотканного из прочных сигма –связей sp2-гибридных электронных орбиталей, имеет очень мало дефектов.
В настоящее время большинство ученых сходятся во мнении, что углеродные материалы в недалеком будущем придут на смену кремнию в микроэлектронной промышленности. Графен уникален тем, что благодаря своей двумерной структуре может проявлять как свойства проводника, причем очень хорошего, так и полупроводниковые свойства. Разработка методики его промышленного получения практически сразу приведет к созданию первых интегральных микросхем. В настоящее время графен получают вручную отшелушиванием атомарных графитовых слоев, связанных в кристалле слабыми Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями.
Кроме того, в настоящее время графен – практически единственный «живой» пример настоящего двумерного проводника, особая энергетическая структура которого позволяет наблюдать специфические эффекты, связанные с движением индивидуальных носителей заряда. Часть из этих эффектов уже наблюдалась физиками на других системах, а часть еще предстоит объяснить.
Открытие это было сделано во многом случайно. Янник Мейер, входящий в группу профессора Алекса Зеттля из Калифорнийского университета в Беркли, но работающий сейчас в Университете немецкого города Ульм, изучал сами графеновые листы, пытаясь подобрать параметры съемки и настроить соотношение «сигнал--шум» своего микроскопа наилучшим образом.
В один прекрасный момент ему пришло в голову, что «шум», от которого никак не удается избавиться, есть не что иное, как легкие углеродные атомы на поверхности графена.
Оказалось, что графен, обладая минимально возможной толщиной в сочетании с феноменальной электронной проводимостью, дает очень низкий уровень шума, а прочностные характеристики этого материала позволяют ему выдерживать бомбардировку электронным пучком в течение многих часов. Статья команды ученых вышла в свет в журнале Nature.
Случайным ли образом в камере просвечивающего микроскопа Мейера оказались молекулы органических соединений, или они присутствуют там всегда и у всех, – сейчас сказать уже тяжело. Тем не менее Мейер, без сомнения, – первый, кто смог наблюдать динамику их движения по поверхности графена.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 2,
"pic_fsize": "53904",
"picsrc": "Изображение поверхности графена (красный цвет), полученное с помощью ТЭМ. Видны адсорбированые атомы водорода (фиолетовые пики) и единичный атомом углерода в центре площадки (одиночный желтый пик).//Jannik Meyer",
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_2785002_i_2"
}
Какие перспективы открывает новая методика просвечивающей микроскопии, разработанная специалистами из Беркли?
Главное, теперь становится возможным воочию наблюдать простые и сложные органические молекулы напрямую с помощью микроскопа, а не «щупать» их методами ядерного магнитного резонанса и рентгеновской дифракции.
Кроме того, по словам Зеттля, взаимодействие этих молекул на поверхности и с поверхностью отныне можно будет наблюдать в динамике. Если раньше ученым приходилось анализировать состав продуктов и промежуточных веществ в ходе реакции, а затем строить сложные кинетические модели цепных реакций для установления их механизма, то в перспективе они смогут ограничиться простым наблюдением за молекулами взаимодействующих веществ напрямую; благо, ТЭМ позволяет наблюдать, что называется, «живую» картинку.
Конечно, такие радужные перспективы не могут пока исключить нескольких очень важных «но».
Во-первых, изучение структуры органических соединений, адсорбированных на поверхности, должно учитывать то обстоятельство, что конформация многих молекул в ходе такого адсорбционного взаимодействия может значительно измениться. О влиянии конформации молекулы на ход реакций, особенно если дело касается природных соединений, «Газета» писала в понедельник.
Во-вторых, если предметом изучения становится изучение взаимодействия органики с поверхностью твердого тела – задачи, очень важной в гетерогенном катализе, – графен не слишком-то и интересен, ибо со структурной и химической точки зрения он очень прост, чтобы не сказать примитивен. А синтезировать подложки толщиной в несколько атомов из более интересных соединений с каталитической или структурной точки зрения – задача во многих случаях просто неразрешимая.
Наблюдение легких соединений с помощью ТЭМа таит в себе и ряд чисто технических сложностей. Однако, как показывает опыт развития науки техники последних лет, ученые наверняка найдут способ извернуться и в этом случае.
