Микроскоп – не только прибор профессионального назначения, но и способ привлечения к науке детей и подростков. Из этой статье вы сможете узнать, что все таки можно увидеть в микроскоп
. Все бактерии были открыты с помощью микроскопа, но далеко не все знают что увидеть их не так просто. Даже самые большие бактерии под названием селеномонады, обитающие во рту человека и животных, которые открыл Антони Вам Левенгук потребовали от него создания микроскопа в 500 крат. С помощью которого он и сделал свое открытие. В этой статье вы увидете наглядные примеры исследуемых объектов, которые можно рассмотреть в микроскоп.
Микроскоп – не только прибор профессионального назначения, но и способ привлечения к науке детей и подростков. Из этой статье вы сможете узнать, что все таки можно увидеть в микроскоп
. Все бактерии были открыты с помощью микроскопа, но далеко не все знают что увидеть их не так просто. Даже самые большие бактерии под названием селеномонады, обитающие во рту человека и животных, которые открыл Антони Вам Левенгук потребовали от него создания микроскопа в 500 крат. С помощью которого он и сделал свое открытие. В этой статье вы увидете наглядные примеры исследуемых объектов, которые можно рассмотреть в микроскоп.
В 2018 году исследователи из Корнельского университета построили мощный детектор, который в сочетании с управляемым алгоритмом процессом – птихографией (ptychography) – установил мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Но каким бы успешным ни был этот подход, у него был один недостаток – он работал только с ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов (все, что было больше, заставило бы электроны рассеиваться таким образом, что их невозможно было бы распутать). Теперь та же команда исследователей установила новый рекорд с помощью нового мощного детектора пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD), который включает в себя еще более сложные алгоритмы 3D-реконструкции. Авторы научной работы отмечают, что разрешение настолько тонко настроено, что единственное размытие, которое остается – это тепловое колебание самих атомов. Звучит сложно, не так ли? Предлагаем не бояться сложных терминов и пробуем разобраться, как новая форма электронной птихографии позволит ученым обнаруживать отдельные атомы в трех измерениях, а также к чему может привести их открытие.
Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.
С тех пор, как ученые обнаружили микробов, они учились их выращивать на различных питательных средах. Ведь для того чтобы знать, как бороться с тем или иным микроорганизмом, нужно изучить не только его форму, но и повадки, образ жизни, потребности в питании. Сейчас в лабораториях исследователи могут выращивать практически любой микроорганизм, для этого разработано огромное количество питательных сред. Но в прошлом, во времена Луи Пастера – родителя современной науки о микробах (микробиологии), в распоряжении ученых была доступна для изучения лишь вода из лесных луж и водоемов, настой сена и мясной бульон.
Слово «микроорганизм» понятие собирательное, в него входят все невидимые невооруженным глазом организмы — бактерии, грибы, одноклеточные и еще целый ряд микрожителей. К слову, вирусы не относят к микробам. Их выделяют в отдельную группу, и наблюдать их в обычный световой микроскоп не представляется возможным.
Микробы вездесущи, обнаружить их можно буквально на всем, что нас окружает. Они бывают аэробами, т.е. для их жизнедеятельности требуется присутствие свободного молекулярного кислорода, но могут быть и анаэробами, способными прожить в условиях без доступа кислорода. Размеры, форма и принципы питания у микробов очень разнятся, но из них всех, пожалуй, самой красивой и причудливой является инфузория туфелька.
Инфузорий можно часами наблюдать в микроскоп. Они имеют очень необычную форму и легко узнаются среди прочих микроорганизмов. Для наблюдения за ней не требуется длительных подготовок и специальных навыков. Ее может увидеть любой желающий даже с помощью самого простого микроскопа.
- Как увидели атомы? Описание, фото и видео
- Атомы и обычные измерительные приборы
- Сканирующий туннельный микроскоп
- Как увидели атомы
- Как увидеть атомы – интересное видео
- Исследуемые объекты при увеличении 640-800 крат?
- Примеры микроскопов с увеличением 640-800 крат
- Как выглядят объекты с увеличением 100 крат?
- Исследуемые объекты при увеличении 640-800 крат?
- Примеры микроскопов с увеличением 640-800 крат
- Как увидеть невидимое?
- Дафния под микроскопом
- Наборы для опытов под микроскопом.
- Перечень рекомендуемых наборов микропрепарат и наборов для опытов под микроскопом.
- Инфузория туфелька под микроскопом
- Живо по зондам, в погоню за связями
- Смена парадигмы
- Объекты при увеличении 900,1200 и 2000 крат?
- Примеры микроскопов с увеличением 900, 1200 и 2000 крат
- Подробное видео что можно увидеть
- От фотографии к кинематографу
- Что можно увидеть в микроскоп с различной кратностью?
- Объекты при увеличении 900,1200 и 2000 крат?
- Примеры микроскопов с увеличением 900, 1200 и 2000 крат
- Подробное видео что можно увидеть
- Электронные микроскопы
- Какие же микроскопы подойдут?
- Аркадий Курамшин, кандидат химических наук «Химия и жизнь» №5, 2017
- Буквы из ксеноновых пикселей
- Синтез одной молекулы
- Предметы которые можно увидеть в микроскоп в домашних условиях.
- Проведение опыта с инфузорией
- Рекомендуемые микроскопы в которые можно увидеть все эти объекты.
- 1. Микроскопы с увеличением до 400 крат
- 2. Микроскопы с увеличением от 400 до 640 крат
- 3. Микроскопы с увеличением от 640 крат до 900 крат
- 4. Микроскопы с увеличением 1000 крат, 1200 крат и 2000 крат
- От неживого — к живому
- Как выглядят объекты с увеличением 100 крат?
- Перья птиц под микроскопом.
Как увидели атомы? Описание, фото и видео
Хотя ученые в принципе давно знают, что атомы существуют, все же тень сомнения оставалась, потому что увидеть атомы глазами никому не удавалось.
Теперь ученые могут получать изображения атомов на экране компьютера, передвигать атомы по поверхности, используя специальный инструмент — сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).
Атомы и обычные измерительные приборы
Увидеть атомы в обычном микроскопе нельзя из-за малых размеров последних — от четырех до шестнадцати миллиардных долей сантиметра в диаметре. Волосок на руке в миллион раз толще. Использовать обычный свет, чтобы осветить атом, нельзя, потому что волна видимого света в две — пять тысяч раз больше диаметра атома.
Сканирующий туннельный микроскоп
СТМ — это не оптический прибор с окуляром, куда можно заглянуть глазом. Это компьютеризированный инструмент со специальным наконечником, который можно располагать очень близко к исследуемой поверхности. При движении наконечника электроны проскакивают промежуток между наконечником и материалом поверхности. В результате можно зарегистрировать электрический ток. При малейшем изменении расстояния между поверхностью и наконечником – электродом меняется сила электрического тока.
Как увидели атомы
Поверхность, которая кажется нам идеально гладкой, на атомном уровне является весьма и весьма бугристой. Электрод регистрирует каждое возвышение, даже если оно не превышает размерами атом. Компьютер рисует объемную карту поверхности, учитывая каждый ее атом. В результате мы можем «видеть» атомы.
С помощью СТМ ученые научились манипулировать атомами. Сначала атомы охлаждаются до минус 270 градусов Цельсия, что очень близко к абсолютному нулю температур, при такой низкой температуре атомы становятся практически неподвижными.
Используя при этом электрод СТМ, можно с помощью магнитного поля перемещать атомы по своему усмотрению и даже писать ими слова на поверхности вещества. Эти слова написаны так же, как слова в книгах для слепых шрифтом Брайля. Прочитать эти атомные письмена можно только с помощью СТМ.
Как увидеть атомы – интересное видео
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter
.
Научный консультант редакции сайта «Как и Почему». Свидетельство о регистрации средства массовой информации ЭЛ № ФС 77 — 76533. Издание «Как и Почему» kipmu.ru входит в список социально значимых ресурсов РФ (определяет Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации).
( 1
оценка, среднее 5
из 5
)
Исследуемые объекты при увеличении 640-800 крат?
Стебель хлопка. Увеличение 640 крат.
Кристаллы соли. Увеличение 640 крат.
Корневище ландыша – поперечный срез. Увеличение 640 крат.
Белая плесень или гриб мукор вызывает процессы гниения конструкций и пищевых продуктов.
Плесень мукор. Увеличение 640 крат.
Дрожжевые клетки. Увеличение 800 крат.
Примеры микроскопов с увеличением 640-800 крат
Как выглядят объекты с увеличением 100 крат?
Матрица — это прямоугольная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — пикселей. В каждом пикселе содержится три субпикселя. Один субпиксель пропускает волны только определённой длины: для красного, зелёного или синего цвета (red, green, blue). Такая цветовая модель называется RGB.
Пиксели на телефоне. Увеличение 100 крат.
Плата — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы.
Плата. Увеличение 150 крат.
Белок куриного яйца — источник протеина для организма человека, который выполняет защитную, каталитическую, транспортную, регуляторную функции. Он входит в состав клеток иммунной системы, повышает барьерные свойства, противодействует дальнейшему проникновению и развитию вирусов и бактерий.
Белок куриного яйца. Увеличение 200 крат.
Песок-рыхлая осадочная горная порода, а также искусственный материал, состоящий из зёрен горных пород. Очень часто состоит из почти чистого минерала кварца (вещество — диоксид кремния).
Песок. Увеличение 400 крат.
Вошерия- нитчатая желто-зеленая водоросль, широко распространенная у нас в текучих и стоячих водах или же на почве — по берегу водоемов, в иле.
Вошерия. Увеличение 400 крат.
Древесина сосны -является одним из самых распространённых материалов для строительства, изготовления мебели и др. Разновидностей сосны существует несколько десятков. Все они обладают своими отличительными особенностями, которые приобретаются ими в зависимости от того, где произрастало дерево.
Древесина сосны. Увеличение 400 крат.
Корень свеклы- овощная, техническая и кормовая культура с мировым именем – представляет собой также низкокалорийный продукт, выделяющийся среди остальных овощных растений высоким уровнем содержащихся в ней сахаров и относительно высоким уровнем – углеводов.
Корень свеклы. Увеличение 400 крат.
Крапива- род цветковых растений семейства Крапивные (Urticaceae). Стебли и листья покрыты жгучими волосками, которым дали латинское название: uro «жгу». Род включает в себя более 50 видов.
Крапива. Увеличение 400 крат.
Хара- внешне водоросли представляют собой массивные ветвящиеся растения, имеющие немало отличий от остальных представителей царства. Если подходить поверхностно к анализу строения представителей этой группы, то вполне можно спутать их с высшими классами растительности.
Хара. Увеличение 400 крат.
Стебель кукурузы. Увеличение 400 крат.
Стебель льна. Увеличение 400 крат.
Стебель мха. Увеличение 400 крат.
Лист камелии. Увеличение 400 крат.
Стебель клевера. Увеличение 400 крат.
Исследуемые объекты при увеличении 640-800 крат?
Стебель хлопка. Увеличение 640 крат.
Кристаллы соли. Увеличение 640 крат.
Корневище ландыша – поперечный срез. Увеличение 640 крат.
Белая плесень или гриб мукор вызывает процессы гниения конструкций и пищевых продуктов.
Плесень мукор. Увеличение 640 крат.
Дрожжевые клетки. Увеличение 800 крат.
Примеры микроскопов с увеличением 640-800 крат
Как увидеть невидимое?
Современная наука гласит, что атомы являются строительными блоками всего существующего. Но вряд ли такое объяснение устроит всех, ведь если атомы существуют, значит их можно увидеть. Но как? На первый взгляд может показаться, что существует простой способ доказать существование атомов: достаточно поместить их под микроскоп. Но такой подход не сработает. На самом деле, даже самые мощные микроскопы не могут
визуализировать отдельные атомы.
Напомним, что увидеть тот или иной объект можно благодаря тому, как он отклоняет видимые световые волны. А вот атомы остаются для нас невидимыми, при этом они оказывают заметное влияние на некоторые вещи. Так, сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхуз изучал странное явление, в котором он не мог до конца разобраться: мельчайшие частицы угольной пыли метались по поверхности спирта в его лаборатории.
Примерно 50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Браун описал нечто похожее, когда направил микроскоп на пыльцевые зерна. Браун заметил, что некоторые зерна выделяют крошечные частицы, которые затем удаляются от пыльцевого зерна в случайном дрожащем танце. Сначала ученый задался вопросом, действительно ли эти частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими веществами, такими как каменная пыль, которая, как он знал, не была живой и снова увидел то же самое странное движение.
Специфический тип движения, который обнаружил Роберт Браун сегодня называется в его честь – броуновское движение. Термин подразумевает беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твердого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.
Поиски объяснения продолжались до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не предположил, что частицы пыльцевых зерен перемещались, потому что постоянно сталкивались с миллионами мельчайших молекул воды – молекул, состоящих из атомов. К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, подтвердили реальность атомов. А еще через десять лет, разделяя отдельные атомы, физики начали понимать внутреннюю структуру этих мельчайших частиц.
Дафния под микроскопом
Дафния- мелкий рак, обитающий по большей части в пресных водоёмах планеты. При своих миниатюрных размерах они имеют довольно сложное устройство и служат важным элементом экосистемы – быстро размножаясь, позволяют кормиться рыбам и земноводным, так что без них водоёмы были бы куда более пустыми. Ещё ими кормят рыбок в аквариуме.
Наборы для опытов под микроскопом.
Шерсть мыши, шерсть зайца, шерсть овцы, лапка мухи, лапка пчелы, дафния, пыльца сосны, стебель хлопка, древесный ствол, срез сосны и это не полный список что можно увидеть в микроскоп с помощью этих наборов. Все эти объекты можно смотреть на различном увеличении 40, 200, 400, 640, 800, 1200, 1600 и 2000 крат.
Перечень рекомендуемых наборов микропрепарат и наборов для опытов под микроскопом.
Инфузория туфелька под микроскопом
Инфузории — обитатели главным образом пресных водоемов, но встречаются также в солоноватой воде и в морях, некоторые виды приспособи-лись к существованию во влажной почве. Среди инфузорий много паразитов (около 1000 видов) беспозвоночных и позвоночных животных.
Инфузория туфелька под микроскопом является классикой исследований начального уровня. Для того, чтобы ее лицезреть воочию, не обязательно обладать углубленными знаниями. Достаточно лишь правильно настроить прибор.
Инфузория Colpidium под микроскопом увеличение 400х
Живо по зондам, в погоню за связями
Убедившись, что с помощью АСМ можно увидеть химическую связь, Лео Гросс решил пойти дальше и применить атомно-силовой микроскоп для измерения длин и порядков связей — ключевых параметров для понимания химической структуры, а следовательно, и свойств веществ.
Напомним, что различие в порядках связей указывает на разные значения электронной плотности и различные межатомные расстояния между двумя атомами (говоря проще, двойная связь короче одинарной). В этане порядок связи углерод-углерод равен единице, в этилене — двум, а в классической ароматической молекуле — бензоле — порядок связи углерод-углерод больше единицы, но меньше двух, и считается равным 1,5.
Определить порядок связи гораздо сложнее при переходе от простых ароматических систем к плоским или объемным поликонденсированным циклическим системам. Так, порядок связей в фуллеренах, состоящих из конденсированных пяти- и шестичленных углеродных циклов, может принимать любое значение от единицы до двух. Та же самая неопределенность теоретически присуща и полициклическим ароматическим соединениям.
В 2012 году Лео Гросс совместно с Фабианом Моном показал, что атомно-силовой микроскоп с металлическим бесконтактным зондом, модифицированным монооксидом углерода, может измерять различия в распределении зарядов у атомов и межатомные расстояния — то есть параметры, ассоциированные с порядком связи ( Science
, 2012, 337, 6100, 1326–1329, ).
Для этого они изучили два типа химических связей в фуллерене — связь углерод-углерод, общую для двух шестичленных углеродсодержащих циклов фуллерена С 60
, и связь углерод-углерод, общую для пяти- и шестичленного циклов. Атомно-силовой микроскоп показал, что при конденсации шестичленных циклов образуется связь более короткая и с большим порядком, чем при конденсации циклических фрагментов C 6
и C 5
. Изучение же особенностей химического связывания в гексабензокоронене, где вокруг центрального цикла C 6
симметрично расположено еще шесть циклов C 6
, подтвердило результаты квантово-химического моделирования, согласно которым порядок связей С—С центрального кольца (на рис. 4 буква i
) должен быть больше, чем у связей, объединяющих это кольцо с периферийными циклами (на рис. 4 буква j
). Сходные результаты получили и для более сложного полициклического ароматического углеводорода, содержащего девять шестичленных циклов.
Порядки связей и межатомные расстояния, конечно же, интересовали химиков-органиков, но важнее это было тем, кто занимался теорией химической связи, предсказанием реакционной способности и изучением механизмов химических реакций. Тем не менее и химиков-синтетиков, и специалистов по изучению структуры природных соединений ждал сюрприз: оказалось, что атомно-силовой микроскоп можно применять для установления структуры молекул точно так же, как ЯМР или ИК-спектроскопию. Более того, он дает однозначный ответ на вопросы, с которыми эти методы не в состоянии справиться.
Смена парадигмы
Итак, команда инженеров Корнельского университета разработала новый метод электронной микроскопии, мощность которого позволяет им с легкостью установить местонахождение атомов. Метод, который, согласно исследованию, опубликованному в журнале Science
, опирается на электронный микроскоп в сочетании со сложными алгоритмами 3D-реконструкции установил новый рекорд в видении атомов.
Все, что мы видим вокруг себя, состоит из этих крошечных частиц.
Отмечу, что прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям. Но теперь ученые действительно могут наблюдать, как атомы дрожат и вибрируют — размытость движения на новых изображениях свидетельствует о точности полученных данных, а не о технической неисправности. В официальном пресс-релизе исследования авторы отмечают, что «вибрация» и «движение» атомов происходит при конечной температуре.
Хотя новый метод требует много времени и вычислительных затрат, его можно было бы сделать более эффективным с помощью более мощных компьютеров в сочетании с машинным обучением и более быстрыми детекторами. « Мы хотим применить это ко всему, что делаем», – пишут авторы исследования. Ну а мы с вами будем ждать результатов , параллельно желая физикам удачи.
Объекты при увеличении 900,1200 и 2000 крат?
Пыльца лилии. Увеличение 900 крат
Микроскопическая водоросль диатома. Увеличение 900 крат
Фитопланктон. Увеличение 900 крат
Спорообразующая бактерия выращенная. Уведичение 1200 крат.
Примеры микроскопов с увеличением 900, 1200 и 2000 крат
Подробное видео что можно увидеть
От фотографии к кинематографу
В 2010 году все тот же Лео Гросс и Райнер Эбел смогли однозначно установить строение природного соединения — цефаландола А, выделенного из бактерии Dermacoccus abyssi
( Nature Chemistry
, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Состав цефаландола А установили ранее с помощью масс-спектрометрии, однако анализ спектров ЯМР этого соединения не давал однозначного ответа на вопрос о его структуре: возможны были четыре варианта. С помощью атомно-силового микроскопа исследователи сразу же исключили две из четырех структур, а из двух оставшихся правильный выбор сделали, сравнив результаты, полученные благодаря АСМ и квантово-химическому моделированию. Задача оказалась непростой: в отличие от пентацена, фуллерена и короненов, в состав цефаландола А входят не только атомы углерода и водорода, кроме того, у этой молекулы нет плоскости симметрии (рис. 5) — но и такую задачу удалось решить.
Еще одно подтверждение того, что атомно-силовой микроскоп можно использовать как аналитический инструмент, получили в группе Оскара Кустанца, в то время работавшего в инженерной школе Университета Осаки. Он показал, как с помощью АСМ различить атомы, отличающиеся друг от друга гораздо меньше, чем углерод и водород ( Nature
, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц исследовал поверхность сплава, состоящего из кремния, олова и свинца с известным содержанием каждого элемента. В результате многочисленных экспериментов он выяснил, что сила, возникающая между острием зонда АСМ и разными атомами, различается (рис. 6). Так, например, самое сильное взаимодействие наблюдалось при зондировании кремния, а самое слабое — при зондировании свинца.
Предполагается, что в дальнейшем результаты атомно-силовой микроскопии для распознавания отдельных атомов будут обрабатываться так же, как результаты ЯМР, — по сравнению относительных величин. Поскольку точный состав иглы датчика трудно контролировать, абсолютное значение силы между датчиком и различными атомами поверхности зависит от условий эксперимента и марки устройства, а вот отношение этих сил при любом составе и форме датчика остается постоянным для каждого химического элемента.
В 2013 году появились первые примеры использования АСМ для получения изображений отдельных молекул до и после химических реакций: создается «фотосет» из продуктов и полупродуктов реакции, который потом можно смонтировать своего рода документальный фильм ( Science
, 2013, 340, 6139, 1434–1437; ).
Такие результаты дважды удивили исследователей. Во-первых, в ходе реакции образовалось всего лишь два главных продукта. Во-вторых, удивление вызвала их структура. Фишер отмечает, что химическая интуиция и опыт позволяли нарисовать десятки возможных продуктов реакции, однако ни один из них не соответствовал тем соединениям, которые образовывались на поверхности. Возможно, протеканию нетипичных химических процессов способствовало взаимодействие исходных веществ с подложкой.
Естественно, что после первых серьезных успехов в изучении химических связей некоторые исследователи решили применить АСМ для наблюдения более слабых и менее изученных межмолекулярных взаимодействий, в частности водородной связи. Однако в этой области работы еще только начинаются, а результаты их противоречивы. Так, в одних публикациях сообщается, что атомно-силовая микроскопия позволила наблюдать водородную связь ( Science
, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), в других утверждают, что это всего лишь артефакты, обусловленные конструкционными особенностями прибора, а экспериментальные результаты нужно интерпретировать аккуратнее ( Physical Review Letters
, 2014, 113, 186102, ). Возможно, окончательный ответ на вопрос, можно ли наблюдать водородные и другие межмолекулярные взаимодействия с помощью атомно-силовой микроскопии, будет получен уже в этом десятилетии. Для этого необходимо еще хотя бы в несколько раз повысить разрешение АСМ и научиться получать изображения без помех ( Physical Review B
, 2014, 90, 085421, ).
Что можно увидеть в микроскоп с различной кратностью?
Микроскоп – это устройство, предназначенное для увеличения изображения объектов изучения для просмотра скрытых для невооруженного глаза деталей их структуры. Прибор обеспечивает увеличение в десятки или тысячи раз, что позволяет увидеть под ним различные объекты, которые невозможно получить используя любое другое оборудование или приспособление.
Итак вы купили микроскоп ребенку или просто в домашнее пользование и перед вами стал вопрос что можно увидеть под микроскопом, какие объекты изучить чтобы не положить микроскоп
на полку.
Объекты при увеличении 900,1200 и 2000 крат?
Пыльца лилии. Увеличение 900 крат
Микроскопическая водоросль диатома. Увеличение 900 крат
Фитопланктон. Увеличение 900 крат
Спорообразующая бактерия выращенная. Уведичение 1200 крат.
Примеры микроскопов с увеличением 900, 1200 и 2000 крат
Подробное видео что можно увидеть
Электронные микроскопы
Сегодня увидеть изображения отдельных атомов можно с помощью мощных электронных микроскопов, которые генерируют электронные лучи. Это возможно потому, что электронный луч может иметь длину волны в тысячи раз короче светового луча – настолько короткую, что электронные волны могут быть отклонены крошечными атомами для создания изображения, а вот световые лучи сделать этого не могут.
Как отмечает в своей статье для BBC
научный журналист Крис Бараньюк, такие изображения полезны для людей, которые хотят изучить атомную структуру специальных веществ – например, тех, которые используются для изготовления батарей для электромобилей.
Птихография (ptychography) – сканирующая техника получения изображений объектов, размеры которых значительно превышают поперечные размеры фокального пятна (электронов, рентгеновского излучения)
Как пишет
Nature, ученые из Калифорнийского университета нашли способ создания потрясающе детальной 3D-реконструкции наночастиц платины в атомном масштабе.
Что же до исследования ученых из Корнельского университета, то с помощью новейшей формы электронной птихографии им удалось обнаружить отдельные атомы во всех трех измерениях. Такой способ, как объясняют
авторы научной работы, может быть особенно полезен для визуализации полупроводников, катализаторов и квантовых материалов, в том числе используемых в квантовых вычислениях. Примечательно, что новый метод визуализации также можно применять к биологическим клеткам, тканям и даже к синапсным соединениям в мозге. Но как он работает?
Какие же микроскопы подойдут?
В микроскоп, способный давать увеличение не менее 600-800х крат, можно понаблюдать не только простейших, но и бактерий. Самый простой способ это сделать – собрать небольшое количество зубного налета и развести его в капельке воды. Так можно увидеть основных представителей царства бактерий. В простом лабораторном микроскопе они будут выглядеть неказисто – маленькие шарики, палочки или нити с нечеткими контурами. Но при использовании фазово-контрастного метода на более дорогостоящих лабораторных моделях можно рассмотреть гораздо больше. Их контуры станут четче, а тела будут выделяться ярким светом на темном фоне. И хотя внутреннюю структуру при таком исследовании изучить не получится (для этого нужно убить бактерий и окрасить), можно увидеть движение бактерий. А по характеру движений ученые определяют принадлежность бактерий к тому или иному классу и выявляют возбудителей некоторых болезней.
Для лабораторных же исследований, направленных на выявление и более точную идентификацию болезнетворных организмов, часто используются жидкие и плотные питательные среды. В них можно наблюдать не только отдельных микроорганизмов, но и целые колонии, т.е. большие скопления клеток, видимые невооруженным глазом. Однако эта техника достаточно сложная и не годится для применения в домашних условиях.
Код товара: 8801381
Аркадий Курамшин,
кандидат химических наук
«Химия и жизнь» №5, 2017
Принялся Трурль ловить атомы, соскабливать с них электроны, месить протоны, так что лишь пальцы мелькали, приготовил протонное тесто, выложил вокруг него электроны и — за следующий атом; не прошло и пяти минут, как держал он в руках брусочек чистого золота: подал его морде, она же, на зуб брусочек попробовав и головой кивнув, сказала:
— И в самом деле золото, только я не могу так за атомами гоняться. Слишком я большой.
— Ничего, мы дадим тебе особый аппаратик! — уговаривал его Трурль.
Станислав Лем, «Кибериада»
Можно ли с помощью микроскопа разглядеть атом, отличить его от другого атома, проследить за разрушением или образованием химической связи и увидеть, как одна молекула превращается в другую? Да, если это не простой микроскоп, а атомно-силовой. А можно и не ограничиваться наблюдением. Мы живем в то время, когда атомно-силовой микроскоп перестал быть просто окном в микромир. Сегодня этот прибор можно использовать для перемещения атомов, разрушения химических связей, изучения предела растяжения одиночных молекул — и даже для исследования генома человека.
Буквы из ксеноновых пикселей
Рассмотреть атомы не всегда было так просто. История атомно-силового микроскопа началась в 1979 году, когда Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в Исследовательском центре компании IBM в Цюрихе, приступили к созданию прибора, который позволил бы изучать поверхности с атомным разрешением. Чтобы придумать такое устройство, исследователи решили использовать эффект туннельного перехода — способность электронов преодолевать, казалось бы, непроходимые барьеры. Идея состояла в том, чтобы, измеряя силу туннельного тока, возникающего между сканирующим зондом и изучаемой поверхностью, определять положение атомов в образце.
У Биннига и Рорера получилось, и они вошли в историю как изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), а в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике. Сканирующий туннельный микроскоп совершил настоящую революцию в физике и химии.
В 1990 году Дон Айглер и Эрхард Швайцер, работавшие в исследовательском центре IBM в Калифорнии, показали, что СТМ можно применять не только для наблюдения за атомами, но для манипулирования ими. С помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа они создали, возможно, самый популярный образ, символизирующий переход химиков к работе с отдельными атомами — нарисовали на никелевой поверхности три буквы 35 атомами ксенона (рис. 1).
Бинниг не стал почивать на лаврах — в год получения Нобелевской премии совместно с Кристофером Гербером и Кельвином Куэйтом, также работавшими в Цюрихском исследовательском центре IBM он начал работу над еще одним устройством для изучения микромира, лишенного недостатков, которые присущи СТМ. Дело в том, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа нельзя было изучать диэлектрические поверхности, а только проводники и полупроводники, да и для анализа последних между ними и зондом микроскопа нужно было создать значительное разрежение. Поняв, что создать новое устройство проще, чем модернизировать существующее, Бинниг, Гербер и Куэйт изобрели атомно-силовой микроскоп, или АСМ. Принцип его работы кардинально иной: для получения информации о поверхности измеряют не силу тока, возникающую между зондом микроскопа и изучаемым образцом, а значение возникающих между ними сил притяжения, то есть слабых нехимических взаимодействий — сил Ван-дер-Ваальса.
Первая рабочая модель АСМ была устроена сравнительно просто. Исследователи перемещали над поверхностью образца алмазный зонд, связанный с гибким микромеханическим датчиком — кантилевером из золотой фольги (между зондом и атомом возникает притяжение, кантилевер гнется в зависимости от силы притяжения и деформирует пьезоэлектрик). Степень изгиба кантилевера определялась с помощью пьезоэлектрических датчиков — сходным образом канавки и гребни виниловой пластинки превращаются в аудиозапись. Конструкция атомно-силового микроскопа позволяла ему детектировать силы притяжения до 10 –18
ньютон. Через год после создания рабочего прототипа исследователям удалось получить изображение рельефа поверхности графита с разрешением в 2,5 ангстрема.
За три десятка лет, прошедших с тех пор, АСМ использовали для изучения практически любых химических объектов — от поверхности керамического материала до живых клеток и отдельных молекул, причем находящихся как в статическом, так и динамическом состоянии. Атомно-силовая микроскопия стала рабочей лошадкой химиков и материаловедов, а количество работ, в которых применяется этот метод, постоянно растет (рис. 2).
За эти годы исследователи подобрали условия и для контактного, и для бесконтактного изучения объектов с помощью атомно-силовой микроскопии. Контактный метод описан выше, он основан на вандерваальсовом взаимодействии между кантилевером и поверхностью. При работе в бесконтактном режиме пьезовибратор возбуждает колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к тому, что и амплитуда, и фаза колебаний зонда изменяются. Несмотря на некоторые недостатки бесконтактного метода (в первую очередь чувствительность к внешним шумам), именно он исключает воздействие зонда на исследуемый объект, а значит, интереснее для химиков.
Синтез одной молекулы
В умелых руках и СТМ и АСМ превращаются из приборов, способных изучать вещество, в приборы, способные направленно изменять строение вещества. С помощью этих устройств уже удалось получить «самые маленькие химические лаборатории», в которых вместо колбы используется подложка, а вместо молей или миллимолей реагирующих веществ — отдельные молекулы.
Например, в 2016 году международная группа ученых во главе с Такаси Кумагаи использовала бесконтактную атомно-силовую микроскопию для перевода молекулы порфицена из одной ее формы в другую ( Nature Chemistry
, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфицен можно рассматривать как модификацию порфирина, во внутреннем цикле которого содержится четыре атома азота и два атома водорода. Колебания зонда АСМ передавали молекуле порфицена достаточно энергии для переноса этих водородов от одних атомов азота к другим, и в результате получалось «зеркальное отражение» этой молекулы (рис. 8).
Группа под руководством неутомимого Лео Гросса также показала, что возможно инициировать реакцию отдельно взятой молекулы, — они превратили дибромантрацен в десятичленный циклический диин (рис. 9; Nature Chemistry
, 2015, 7, 623–628, ). В отличие от Кумагаи с соавторами, они использовали сканирующий туннельный микроскоп для активации молекулы, а за результатом реакции следили с помощью атомно-силового микроскопа.
Комбинированное применение сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа позволило даже получить молекулу, которую невозможно синтезировать с помощью классических приемов и методов ( Nature Nanotechnology
, 2017, 12, 308–311, ). Это триангулен — нестабильный ароматический бирадикал, существование которого было предсказано шесть десятилетий назад, но все попытки синтеза были неудачными (рис. 10). Химики из группы Нико Павличека получили искомое соединение, оторвав от его прекурсора два атома водорода с помощью СТМ и подтвердив синтетический результат с помощью АСМ.
Предполагается, что число работ, посвященных применению атомно-силовой микроскопии в органической химии, еще будет расти. В настоящее время все больше ученых пытаются повторить на поверхности реакции, хорошо знакомые «растворной химии». Но, возможно, химики-синтетики начнут воспроизводить в растворе те реакции, которые были первоначально осуществлены на поверхности с помощью АСМ.
Предметы которые можно увидеть в микроскоп в домашних условиях.
Клетки мякоти яблока при увеличении 400 крат.
Оранжевый сладкий перец под микроскопом при увеличении 100 крат.
Луковица человеческого волоса при увеличении 400 крат.
Проведение опыта с инфузорией
Для проведения опыта понадобится совсем немного воды из лесной лужи, зацветшего водоема, из вазы с цветами или даже из аквариума. Идеально, если в воде окажется несколько веточек водорослей. Препарат с инфузорией можно приготовить по принципу раздавленной капли, или сделать «висячую» каплю на предметном стекле с выемкой.
При рассматривании образца под микроскопом (лучше всего это делать на среднем или большом увеличении) можно заметить двигающихся овальных существ. Строго говоря, они не совсем овальные – передний конец инфузории заострен, а задний, наоборот, имеет сильно округлую форму. Одна из боковых сторон, приблизительно по центру туловища, вогнута, что придает существу большое сходство с подошвой туфли. Отсюда и название микроорганизма – инфузория туфелька. Вокруг всего тела инфузории располагаются в несколько слоев реснички, которые помогают ей двигаться и «загонять» пищу в ротовое отверстие, расположенное неподалеку от головного конца.
Для особо пытливых исследователей будет интересно понаблюдать за процессом пищеварения у инфузории. Пища, попавшая в ротовое отверстие, постепенно перемещается в «желудок» — пищеварительную вакуоль, похожую на пузырек. В ней пища переваривается, а затем выталкивается в другую вакуоль – сократительную, которая является чем то, наподобие кишечника у животных. Сократительная вакуоль служит для устранения остатков пищи наружу. Для того чтобы увидеть, как происходят эти процессы, нужно покормить инфузорию, например, несколькими капельками обычной туши для заправки перьевых ручек. После того, как инфузория заглотнет ее, можно рассмотреть месторасположение пищеварительной вакуоли – темный шарик на фоне светлого тела микроорганизма.
Многие знают, что инфузории относятся к классу простейших, но это название довольно относительное, т.к. многочисленные опыты над инфузориями обнаружили у них зачатки психической деятельности. К примеру, инфузорию помещали в узкую трубку, диаметр которой совсем немного превосходил размер самого животного. Трубку с обеих сторон запаивали. Когда инфузория доплывала до одной стороны, она делала попытки проплыть дальше, но вскоре разворачивалась головным концом и направлялась в другую сторону. Со временем инфузория стала тратить на развороты все меньше времени и сил, а значит, смогла приспособиться к новым условиям.
Но поражает в инфузории даже не это. В человеческом или другом сложном организме все клетки узкоспециализированы и выполняют какую-либо одну функцию. Инфузория же состоит из одной-единственной клетки, в которой есть, хоть и примитивная, но выделительная и пищеварительная системы, мышечная система, состоящая из сократительных волокон, двигательный аппарат из ресничек. Следовательно, эта единственная клетка может полностью обеспечивать все стороны жизнедеятельности. Возможно поэтому ученые прошлого с таким уважением относились к инфузории и часами просиживали над микроскопом, изучая и зарисовывая ее повадки.
Рекомендуемые микроскопы в которые можно увидеть все эти объекты.
1. Микроскопы с увеличением до 400 крат
2. Микроскопы с увеличением от 400 до 640 крат
3. Микроскопы с увеличением от 640 крат до 900 крат
4. Микроскопы с увеличением 1000 крат, 1200 крат и 2000 крат
От неживого — к живому
Кантилеверы и зонды атомно-силовых микроскопов можно применять не только для аналитических исследований или синтеза экзотических молекул, но и для решения прикладных задач. Уже известны случаи использования АСМ в медицине, например для ранней диагностики рака, и здесь пионером выступает тот самый Кристофер Гербер, который приложил руку к разработке принципа атомно-силовой микроскопии и созданию АСМ.
Так, Герберу удалось научить АСМ определять точечную мутацию рибонуклеиновой кислоты при меланоме (на материале, полученном в результате биопсии). Для этого золотой кантилевер атомно-силового микроскопа модифицировали олигонуклеотидами, которые могут вступать в межмолекулярное взаимодействие с РНК, а силу этого взаимодействия все также можно измерить за счет пьезоэффекта. Чувствительность сенсора АСМ настолько велика, что его уже пытаются применить для изучения эффективности популярного метода редактирования геномов CRISPR-Cas9. Здесь воедино объединяются технологии, созданные разными поколениями исследователей.
Перефразируя классика одной из политических теорий, можно сказать, что мы уже сейчас видим безграничные возможности и неисчерпаемость атомно-силовой микроскопии и вряд ли в силах представить, что ждет нас впереди в связи с дальнейшим развитием этих технологий. Но уже сегодня сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп дают нам возможность увидеть атомы и прикоснуться к ним. Можно сказать, что это не только продолжение наших глаз, позволяющее заглянуть в микрокосм атомов и молекул, но и новые глаза, новые пальцы, способные прикоснуться к этому микрокосму и управлять им.
Как выглядят объекты с увеличением 100 крат?
Матрица — это прямоугольная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — пикселей. В каждом пикселе содержится три субпикселя. Один субпиксель пропускает волны только определённой длины: для красного, зелёного или синего цвета (red, green, blue). Такая цветовая модель называется RGB.
Пиксели на телефоне. Увеличение 100 крат.
Плата — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы.
Плата. Увеличение 150 крат.
Белок куриного яйца — источник протеина для организма человека, который выполняет защитную, каталитическую, транспортную, регуляторную функции. Он входит в состав клеток иммунной системы, повышает барьерные свойства, противодействует дальнейшему проникновению и развитию вирусов и бактерий.
Белок куриного яйца. Увеличение 200 крат.
Песок-рыхлая осадочная горная порода, а также искусственный материал, состоящий из зёрен горных пород. Очень часто состоит из почти чистого минерала кварца (вещество — диоксид кремния).
Песок. Увеличение 400 крат.
Вошерия- нитчатая желто-зеленая водоросль, широко распространенная у нас в текучих и стоячих водах или же на почве — по берегу водоемов, в иле.
Вошерия. Увеличение 400 крат.
Древесина сосны -является одним из самых распространённых материалов для строительства, изготовления мебели и др. Разновидностей сосны существует несколько десятков. Все они обладают своими отличительными особенностями, которые приобретаются ими в зависимости от того, где произрастало дерево.
Древесина сосны. Увеличение 400 крат.
Корень свеклы- овощная, техническая и кормовая культура с мировым именем – представляет собой также низкокалорийный продукт, выделяющийся среди остальных овощных растений высоким уровнем содержащихся в ней сахаров и относительно высоким уровнем – углеводов.
Корень свеклы. Увеличение 400 крат.
Крапива- род цветковых растений семейства Крапивные (Urticaceae). Стебли и листья покрыты жгучими волосками, которым дали латинское название: uro «жгу». Род включает в себя более 50 видов.
Крапива. Увеличение 400 крат.
Хара- внешне водоросли представляют собой массивные ветвящиеся растения, имеющие немало отличий от остальных представителей царства. Если подходить поверхностно к анализу строения представителей этой группы, то вполне можно спутать их с высшими классами растительности.
Хара. Увеличение 400 крат.
Стебель кукурузы. Увеличение 400 крат.
Стебель льна. Увеличение 400 крат.
Стебель мха. Увеличение 400 крат.
Лист камелии. Увеличение 400 крат.
Стебель клевера. Увеличение 400 крат.
Перья птиц под микроскопом.
Фламинго-род птиц из семейства фламинговых отряда фламингообразных. У фламинго тонкие длинные ноги, гибкая шея и оперенье, окраска которого варьирует от белого до красного цвета.
Перо фламинго под микроскопом.
Павлин считается самой красивой птицей среди представителей отряда курообразных. А его красота заключается в красивом ярком хвосте, который он умеет распускать веером. При этом все перья хвоста павлина украшены разноцветными «глазами» на конце.
Перья павлина под микроскопом увеличение 150 крат.
Попугаи, самые известные экзотические птицы, которых с незапамятных времен люди стали содержать в домашних условиях, при чем не для получения выгоды, мяса или яиц, а просто как развлечение, так сказать для души.
Перья попопугая под микроскопом увеличение 150 крат.
Сова- птица, вошедшая в культуру народов, ставшая символом мудрости, посланником волшебных сил. В обычной жизни крылатый хищник не менее интересен, чем в книгах.
Перья совы под микроскопом при увеличении 150 крат.
Страус-самая крупная птица нашей планеты. Летать он не умеет, но благодаря сильным ногам бегает быстрее скаковых лошадей.
Перо страуса при величении 150 крат.
Гусь-род водоплавающих птиц семейства утиных, отряда гусеобразных. Гуси отличаются клювом, имеющим при основании большую высоту, чем ширину, и оканчивающимся ноготком с острым краем.
Перо гуся при увеличении 150 крат.
