Fizičari iz SAD uspeli su da uhvate pojedinačne atome na fotografijama rekordne rezolucije, prenosi Day.Az pozivajući se na Vesti.ru

Naučnici sa Univerziteta Cornell u SAD uspjeli su snimiti pojedinačne atome na fotografijama s rekordnom rezolucijom - manje od pola angstrema (0,39 Å). Prethodne fotografije su imale upola manju rezoluciju - 0,98 Å.

Moćni elektronski mikroskopi koji mogu da vide atome postoje već pola veka, ali je njihova rezolucija ograničena talasnom dužinom vidljive svetlosti, koja je veća od prečnika prosečnog atoma.

Stoga naučnici koriste određeni analog sočiva koji fokusiraju i uvećavaju slike u elektronskim mikroskopima - ovo je magnetno polje. Međutim, fluktuacije magnetsko polje iskriviti dobijeni rezultat. Za uklanjanje izobličenja koriste se dodatni uređaji koji ispravljaju magnetsko polje, ali u isto vrijeme povećavaju složenost dizajna elektronskog mikroskopa.

Prethodno su fizičari sa Univerziteta Cornell razvili uređaj EMPAD (Electron Microscope Pixel Array Detector), koji je zamijenio složen sistem generatori koji fokusiraju dolazeće elektrone u jednu malu matricu rezolucije 128x128 piksela, osjetljivu na pojedinačne elektrone. Svaki piksel bilježi ugao refleksije elektrona; Znajući to, naučnici koriste tehniku ​​ptiakografije kako bi rekonstruisali karakteristike elektrona, uključujući koordinate tačke iz koje su pušteni.

Atomi u najvećoj rezoluciji

David A. Muller i dr. Priroda, 2018.

U ljeto 2018. fizičari su odlučili poboljšati kvalitetu rezultirajućih slika na rekordno visok nivo danas dozvole. Naučnici su pričvrstili list 2D materijala, molibden sulfida MoS2, na pokretni snop i ispalili snopove elektrona rotirajući zrak pod različitim uglovima u odnosu na izvor elektrona. Koristeći EMPAD i ptakografiju, naučnici su odredili udaljenosti između pojedinačnih atoma molibdena i dobili sliku rekordne rezolucije od 0,39 Å.

“U osnovi smo stvorili najmanji vladar na svijetu”, objašnjava Sol Gruner, jedan od autora eksperimenta. Na rezultujućoj slici bilo je moguće uočiti atome sumpora sa rekordnom rezolucijom od 0,39 Å. Štaviše, čak je bilo moguće uočiti mjesto gdje nedostaje jedan takav atom (označeno strelicom).

Atomi sumpora u rekordnoj rezoluciji

Trurl je počeo da hvata atome, struže elektrone iz njih, gnječi protone dok mu samo prsti ne zatrepere, priprema protonsko testo, postavlja elektrone oko njega i - za sledeći atom; Nije prošlo ni pet minuta dok je u rukama držao blok od čistog zlata: pružio ga je svojoj njušci, a ona je, isprobavši blok na zubu i klimnuvši glavom, rekla:
- I zaista je zlato, ali ne mogu tako da jurim atome. Prevelika sam.
- U redu je, daćemo vam poseban uređaj! - Trurl ga je nagovorio.

Stanislaw Lem, Cyberiad

Da li je moguće, koristeći mikroskop, vidjeti atom, razlikovati ga od drugog atoma, promatrati uništenje ili stvaranje kemijske veze i vidjeti kako se jedan molekul pretvara u drugi? Da, ako nije običan mikroskop, već mikroskop atomske sile. I ne morate se ograničavati na posmatranje. Živimo u vremenu kada mikroskop atomske sile više nije samo prozor u mikrosvijet. Danas se ovaj uređaj može koristiti za pomicanje atoma, uništavanje hemijske veze, proučavanje granice istezanja pojedinačnih molekula - pa čak i proučavanje ljudskog genoma.

Slova napravljena od xenon piksela

Gledanje u atome nije uvijek bilo tako lako. Istorija mikroskopa atomske sile započela je 1979. godine, kada su Gerd Karl Binnig i Heinrich Rohrer, radeći u IBM istraživačkom centru u Cirihu, počeli stvarati instrument koji bi omogućio proučavanje površina u atomskoj rezoluciji. Da bi došli do takvog uređaja, istraživači su odlučili da koriste efekat tunela - sposobnost elektrona da savladaju naizgled neprobojne barijere. Ideja je bila da se odredi položaj atoma u uzorku mjerenjem jačine tunelske struje koja nastaje između sonde za skeniranje i površine koja se proučava.

Binnig i Rohrer su uspjeli i ušli su u istoriju kao pronalazači skenirajućeg tunelskog mikroskopa (STM), a 1986. godine dobili su Nobelovu nagradu za fiziku. Skenirajući tunelski mikroskop napravio je pravu revoluciju u fizici i hemiji.

Godine 1990. Don Eigler i Erhard Schweitzer, radeći u IBM istraživačkom centru u Kaliforniji, pokazali su da se STM može koristiti ne samo za promatranje atoma, već i za manipulaciju njima. Koristeći sondu za skeniranje tunelskog mikroskopa, stvorili su možda najpopularniju sliku koja simbolizuje prelazak hemičara na rad sa pojedinačnim atomima - naslikali su tri slova na površini nikla sa 35 atoma ksenona (slika 1).

Binnig nije ostao na lovorikama - u godini koju je primio nobelova nagrada Zajedno sa Christopherom Gerberom i Kelvinom Quaiteom, također radeći u IBM Zurich Research Centru, započeo je rad na drugom uređaju za proučavanje mikrosvijeta, lišenom nedostataka svojstvenih STM-u. Činjenica je da je uz pomoć skenirajućeg tunelskog mikroskopa bilo nemoguće proučavati dielektrične površine, već samo vodiče i poluvodiče, a za analizu potonjih bilo je potrebno stvoriti značajan vakuum između njih i sonde mikroskopa. Shvativši da je stvaranje novog uređaja lakše nego nadogradnja postojećeg, Binnig, Gerber i Quaite su izumili mikroskop atomske sile ili AFM. Princip njegovog rada je radikalno drugačiji: da bi dobili informacije o površini, oni ne mjere jačinu struje koja nastaje između sonde mikroskopa i uzorka koji se proučava, već vrijednost privlačnih sila koje nastaju između njih, odnosno slabe nehemijske interakcije - van der Waalsove sile.

Prvi radni model AFM bio je relativno jednostavan. Istraživači su pomjerili dijamantsku sondu preko površine uzorka, spojenu na fleksibilni mikromehanički senzor - konzolu od zlatne folije (privlačenje nastaje između sonde i atoma, konzola se savija ovisno o sili privlačenja i deformira piezoelektrik) . Stepen savijanja konzole određen je pomoću piezoelektričnih senzora - na sličan način na koji se žljebovi i izbočine vinilne ploče pretvaraju u audio zapis. Dizajn mikroskopa atomske sile omogućio mu je da detektuje privlačne sile do 10-18 njutna. Godinu dana nakon kreiranja radnog prototipa, istraživači su uspjeli dobiti sliku topografije površine grafita u rezoluciji od 2,5 angstrema.

Tokom tri decenije koje su prošle od tada, AFM se koristio za proučavanje gotovo svih hemijskih objekata - od površine keramičkog materijala do živih ćelija i pojedinačnih molekula, kako u statičkom tako iu dinamičkom stanju. Mikroskopija atomske sile postala je radni konj hemičara i naučnika materijala, a broj studija koje koriste ovu metodu stalno raste (slika 2).

Tokom godina, istraživači su odabrali uslove za kontaktno i bezkontaktno proučavanje objekata koristeći mikroskopiju atomske sile. Metoda kontakta je gore opisana i zasniva se na van der Waalsovoj interakciji između konzole i površine. Kada radi u beskontaktnom režimu, piezovibrator pobuđuje oscilacije sonde na određenoj frekvenciji (najčešće rezonantnoj). Sila koju vrši površina uzrokuje promjenu i amplitude i faze oscilacija sonde. Unatoč nekim nedostacima beskontaktne metode (prvenstveno osjetljivosti na vanjsku buku), ona eliminira utjecaj sonde na predmet koji se proučava, te je stoga zanimljivija za kemičare.

Živo na sondama, u potrazi za vezama

Mikroskopija atomske sile postala je beskontaktna 1998. godine zahvaljujući radu Binnigovog učenika, Franza Josefa Gissibla. On je predložio korištenje kvarcnog referentnog oscilatora stabilne frekvencije kao konzole. 11 godina kasnije, istraživači iz IBM laboratorije u Cirihu poduzeli su još jednu modifikaciju beskontaktnog AFM-a: ulogu senzorske sonde nije igrao oštar dijamantski kristal, već jedan jedini molekul - ugljični monoksid. Ovo je omogućilo prelazak na subatomsku rezoluciju, kao što je pokazao Leo Gross iz odeljenja IBM-a u Cirihu. 2009. godine, koristeći AFM, učinio je vidljivim ne atome, već hemijske veze, dobivši prilično jasnu i nedvosmisleno čitljivu „sliku“ za molekul pentacena (slika 3; Nauka, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).

Uvjeren da se hemijske veze mogu vidjeti pomoću AFM-a, Leo Gross je odlučio ići dalje i koristiti mikroskop atomske sile za mjerenje dužine i redosleda veza - ključnih parametara za razumijevanje hemijska struktura, a samim tim i svojstva supstanci.

Podsjetimo da razlika u redoslijedu veza ukazuje različita značenja gustoću elektrona i različite međuatomske udaljenosti između dva atoma (jednostavno rečeno, dvostruka veza je kraća od jednostruke veze). U etanu je red veze ugljik-ugljik jedan, u etilenu dva, au klasičnoj aromatičnoj molekuli benzena red veze ugljik-ugljik je veći od jedan, ali manji od dva, i smatra se 1,5.

Određivanje redosleda veze je mnogo teže kada se prelazi sa jednostavnih aromatičnih sistema na planarne ili masovne polikondenzovane ciklične sisteme. Dakle, redoslijed veza u fulerenima, koji se sastoji od kondenziranih peto- i šesteročlanih ugljičnih prstenova, može imati bilo koju vrijednost od jedan do dva. Ista nesigurnost je teoretski svojstvena policikličkim aromatičnim jedinjenjima.

Godine 2012. Leo Gross je zajedno s Fabianom Mohnom pokazao da mikroskop atomske sile s beskontaktnom metalnom sondom modificiranom ugljičnim monoksidom može mjeriti razlike u distribuciji naboja atoma i međuatomskim udaljenostima - to jest, parametre povezane s redoslijedom veze ( Nauka, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).

Da bi to učinili, proučavali su dvije vrste kemijskih veza u fulerenu - vezu ugljik-ugljik, zajedničku za dva šesteročlana prstena fulerena C60 koji sadrže ugljik, i vezu ugljik-ugljik, zajedničku za pet i šest. -člani prstenovi. Mikroskop atomske sile je pokazao da kondenzacija šesteročlanih prstenova stvara vezu koja je kraća i većeg reda od kondenzacije cikličkih fragmenata C 6 i C 5 . Proučavanje karakteristika hemijske veze u heksabenzokoronenu, gde je još šest C 6 prstenova simetrično locirano oko centralnog C 6 prstena, potvrdilo je rezultate kvantnog hemijskog modeliranja prema kojima je red C-C konekcije centralni prsten(na sl. 4 slovo i) mora biti veći od veza koje povezuju ovaj prsten sa perifernim ciklusima (na slici 4 slovo j). Slični rezultati su dobijeni za složeniji policiklični aromatični ugljovodonik koji sadrži devet šestočlanih prstenova.

Redovi veza i međuatomske udaljenosti, naravno, bili su zanimljivi organskim hemičarima, ali je to bilo važnije onima koji su radili na teoriji hemijskih veza, predviđanju reaktivnost i proučavanje mehanizama hemijske reakcije. Međutim, i sintetički hemičari i stručnjaci za proučavanje strukture prirodnih spojeva bili su iznenađeni: pokazalo se da se mikroskop atomske sile može koristiti za određivanje strukture molekula na isti način kao NMR ili IR spektroskopija. Štaviše, daje jasan odgovor na pitanja koja ove metode ne mogu riješiti.

Od fotografije do bioskopa

Isti Leo Gross i Rainer Ebel su 2010. uspjeli nedvosmisleno utvrditi strukturu prirodnog spoja - cefalandola A, izolovanog iz bakterije. Dermacoccus abyssi(Nature Chemistry, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Sastav cefalandola A prethodno je utvrđen pomoću masene spektrometrije, ali analiza NMR spektra ovog spoja nije dala jasan odgovor na pitanje njegove strukture: bile su moguće četiri opcije. Koristeći mikroskop atomske sile, istraživači su odmah eliminisali dvije od četiri strukture, a iz preostale dvije pravi izbor napravljeno poređenjem rezultata dobijenih korišćenjem AFM i kvantnih hemijskih simulacija. Zadatak se pokazao teškim: za razliku od pentacena, fulerena i koronena, cefalandol A ne sadrži samo atome ugljika i vodika, osim toga, ovaj molekul nema ravan simetrije (slika 5) - ali je i ovaj problem riješen.

Još jedna potvrda da se mikroskop atomske sile može koristiti kao analitički alat dobijena je u grupi Oscara Kustanze, koji je u to vrijeme radio u inženjersku školu Univerzitet u Osaki. Pokazao je kako koristiti AFM za razlikovanje atoma koji se međusobno razlikuju mnogo manje od ugljika i vodika ( Priroda, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustants je ispitivao površinu legure koja se sastoji od silicija, kalaja i olova sa poznatim sadržajem svakog elementa. Kao rezultat brojnih eksperimenata, otkrio je da sila koja nastaje između vrha AFM sonde i različitih atoma, varira (slika 6). Na primjer, najjača interakcija je uočena pri sondiranju silicijuma, a najslabija interakcija uočena je pri sondiranju olova.

Pretpostavlja se da će se u budućnosti rezultati mikroskopije atomske sile za prepoznavanje pojedinačnih atoma obrađivati ​​na isti način kao i rezultati NMR-a – poređenjem relativnih vrijednosti. Budući da je tačan sastav igle senzora teško kontrolirati, apsolutna vrijednost sile između senzora i različitih atoma površina ovisi o eksperimentalnim uvjetima i marki uređaja, ali omjer ovih sila za bilo koji sastav i oblik senzora ostaje konstantan za svaki hemijski element.

Godine 2013. pojavili su se prvi primjeri korištenja AFM-a za dobivanje slika pojedinačnih molekula prije i nakon kemijskih reakcija: od proizvoda i međuprodukata reakcije stvara se “fotoset” koji se zatim može montirati u neku vrstu dokumentarac (Nauka, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187 ).

Felix Fischer i Michael Crommie sa Univerziteta Kalifornije u Berkeleyju nanijeli su srebro na površinu 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzen, snimio je molekule i zagrijao površinu kako bi započeo ciklizaciju. Polovina originalnih molekula pretvorila se u policiklične aromatične strukture koje se sastoje od spojenih pet šestočlanih i dva petočlana prstena. Druga četvrtina molekula formirala je strukture koje se sastoje od četiri šestočlana prstena povezana kroz jedan četvoročlani prsten i dva petočlana prstena (slika 7). Preostali proizvodi su oligomerne strukture i, u manjim količinama, policiklični izomeri.

Ovi rezultati su dvaput iznenadili istraživače. Prvo, tokom reakcije su nastala samo dva glavna proizvoda. Drugo, njihova struktura je bila iznenađujuća. Fišer napominje da su hemijska intuicija i iskustvo omogućili crtanje desetina mogući proizvodi reakcije, ali nijedna od njih nije odgovarala spojevima koji su nastali na površini. Moguće je da je nastanak atipičnih hemijskih procesa bio olakšan interakcijom polaznih supstanci sa supstratom.

Naravno, nakon prvih ozbiljnih uspjeha u proučavanju kemijskih veza, neki istraživači su odlučili koristiti AFM za promatranje slabijih i manje proučavanih međumolekulskih interakcija, posebno vodonične veze. Međutim, rad u ovoj oblasti tek počinje, a rezultati su kontradiktorni. Stoga, neke publikacije navode da je mikroskopija atomske sile omogućila promatranje vodikove veze ( Nauka, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), drugi tvrde da su to samo artefakti zbog dizajnerskih karakteristika uređaja, a eksperimentalni rezultati treba pažljivije tumačiti ( Physical Review Letters, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Možda će se konačan odgovor na pitanje da li se vodonik i druge međumolekularne interakcije mogu promatrati pomoću atomske silne mikroskopije dobiti već u ovoj deceniji. Da biste to učinili, potrebno je još barem nekoliko puta povećati AFM rezoluciju i naučiti dobivati ​​slike bez smetnji ( Fizički pregled B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).

Sinteza jedne molekule

IN u sposobnim rukama I STM i AFM pretvaraju se od uređaja sposobnih za proučavanje materije u uređaje koji su sposobni da namjerno mijenjaju strukturu materije. Uz pomoć ovih uređaja već je bilo moguće dobiti „najmanji hemijske laboratorije“, u kojem se umjesto tikvice koristi nosač, a umjesto molova ili milimola reaktanata koriste se pojedinačni molekuli.

Na primjer, 2016 međunarodna grupa Naučnici predvođeni Takashijem Kumagaijem koristili su beskontaktnu mikroskopiju atomske sile da pretvore molekul porfikena iz jednog oblika u drugi ( Nature Chemistry, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porficen se može smatrati modifikacijom porfirina, čiji unutrašnji prsten sadrži četiri atoma dušika i dva atoma vodika. Vibracije AFM sonde prenijele su dovoljno energije na molekul porfikena da prenesu ove vodonike sa jednog atoma dušika na drugi, a rezultat je bio “zrcalni odraz” ovog molekula (slika 8).

Tim koji je predvodio neumorni Leo Gross takođe je pokazao da je moguće pokrenuti reakciju jednog molekula – pretvorili su dibromomantracen u desetočlani ciklični diin (slika 9; Nature Chemistry, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Za razliku od Kumagaija i drugih, oni su koristili skenirajući tunelski mikroskop da aktiviraju molekul, a rezultat reakcije je praćen pomoću mikroskopa atomske sile.

Kombinovana upotreba skenirajućeg tunelskog mikroskopa i mikroskopa atomske sile čak je omogućila da se dobije molekul koji se ne može sintetizirati klasičnim tehnikama i metodama ( Nanotehnologija prirode, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Ovo je triangulen, nestabilni aromatični diradikal čije je postojanje bilo predviđeno prije šest decenija, ali su svi pokušaji sinteze propali (slika 10). Hemičari iz grupe Nika Pavličeka dobili su željeno jedinjenje uklanjanjem dva atoma vodonika iz njegovog prekursora pomoću STM i potvrdom sintetičkog rezultata pomoću AFM.

Pretpostavlja se da je broj radova posvećen upotrebi mikroskopije atomske sile u organska hemija, i dalje će rasti. Trenutno, sve više i više naučnika pokušava da replicira na površini reakcije koje su dobro poznate u "hemiji rastvora". Ali možda će sintetički kemičari početi reproducirati u otopini reakcije koje su prvobitno izvedene na površini koristeći AFM.

Od neživih do živih

Konzole i sonde mikroskopa atomske sile mogu se koristiti ne samo za analitička istraživanja ili sintezu egzotičnih molekula, već i za rješavanje primijenjeni problemi. Već su poznati slučajevi upotrebe AFM-a u medicini, na primjer, za ranu dijagnozu karcinoma, a ovdje je pionir isti Christopher Gerber, koji je učestvovao u razvoju principa mikroskopije atomske sile i stvaranju AFM-a.

Tako je Gerber mogao naučiti AFM da otkrije tačkaste mutacije u ribonukleinskoj kiselini u melanomu (na materijalu dobivenom kao rezultat biopsije). Da bi se to postiglo, zlatna konzola mikroskopa atomske sile modificirana je oligonukleotidima koji mogu ući u intermolekularnu interakciju s RNK, a snaga te interakcije može se mjeriti i zbog piezoelektričnog efekta. Osetljivost AFM senzora je toliko visoka da već pokušavaju da ga koriste za proučavanje efikasnosti popularne metode za uređivanje genoma CRISPR-Cas9. Ovdje se spajaju tehnologije koje su stvorile različite generacije istraživača.

Da parafraziramo klasik jedne od političkih teorija, možemo reći da već vidimo neograničene mogućnosti i neiscrpnost mikroskopije atomske sile i da teško možemo zamisliti šta nam predstoji u vezi s daljim razvojem ovih tehnologija. Ali danas, skenirajući tunelski mikroskopi i mikroskopi atomske sile daju nam priliku da vidimo i dodirnemo atome. Možemo reći da ovo nije samo produžetak naših očiju, koji nam omogućava da pogledamo u mikrokosmos atoma i molekula, već i nove oči, novi prsti, sposobni da dodiruju i kontroliraju ovaj mikrokosmos.

Jeste li ikada vidjeli atome? Ti i ja smo sastavljeni od njih, tako da u stvari, da. Ali da li ste ikada videli jedan jedini atom? Nedavno je snimljena neverovatna fotografija samo jednog atoma električna polja, pobijedio na prestižnom takmičenju naučna fotografija, koji je počastvovao najviša nagrada. Fotografija je u konkurenciju ušla pod sasvim logičnim naslovom “Single Atom in Ion Trap”, a njen autor je David Nadlinger sa Univerziteta u Oksfordu.

Britanski istraživački savjet za inženjerstvo i fizičke nauke (EPSRC) objavio je pobjednike svog nacionalnog takmičenja za naučnu fotografiju, pri čemu je fotografija jednog atoma osvojila glavnu nagradu.

Na fotografiji je atom predstavljen kao sićušna tačka svjetlosti između dvije metalne elektrode koje se nalaze na udaljenosti od oko 2 mm.

Naslov fotografije:

"U središtu fotografije vidljiva je mala svijetla tačka - jedan pozitivno nabijen atom stroncijuma. Gotovo je nepomično drže ga električna polja koja izviru iz metalnih elektroda koje ga okružuju. Kada je obasjan plavo-ljubičastim laserom, atom brzo apsorbira i ponovo emituje svjetlosne čestice, čineći konvencionalnu kameru koju bih mogao fotografirati uz dugu ekspoziciju."

"Fotografija je snimljena kroz prozor ultravisoke vakuum komore u kojoj se nalazi zamka. Laserski hlađeni atomski joni pružaju odličnu osnovu za proučavanje i korištenje jedinstvena svojstva kvantna fizika. Koriste se za kreiranje izuzetno preciznih satova ili, u ovom slučaju, kao čestice za izgradnju budućih kvantnih kompjutera koji će biti u stanju da riješe probleme koji su manji čak i od današnjih najmoćnijih superkompjutera."

Ako još uvijek niste mogli vidjeti atom, evo ga

“Ideja da mogu da vidim jedan atom golim okom oduševila me je, pružajući most između sićušnog kvantnog svijeta i naše makroskopske stvarnosti”, rekao je David Nadlinger.

Atom (od grčkog "nedjeljiv") je nekada najmanja čestica supstance mikroskopske veličine, najmanji dio kemijskog elementa koji nosi njegova svojstva. Komponente atoma - protoni, neutroni, elektroni - više nemaju ova svojstva i formiraju ih zajedno. Kovalentni atomi formiraju molekule. Naučnici proučavaju karakteristike atoma, i iako su već prilično dobro proučeni, ne propuštaju priliku da pronađu nešto novo - posebno u području stvaranja novih materijala i novih atoma (nastavljajući periodni sistem). 99,9% mase atoma nalazi se u jezgru.

Neka vas naslov ne odvrati. Ispostavilo se da je crna rupa, koju su slučajno stvorili zaposlenici SLAC National Accelerator Laboratory, veličine samo jednog atoma, tako da nam ništa ne prijeti. i ime " crna rupa“samo nejasno opisuje fenomen koji su uočili istraživači. Više puta smo vam govorili o najmoćnijem rendgenskom laseru na svijetu, tzv

1. Ali krenut ćemo iz potpuno drugog smjera. Prije nego krenemo na putovanje u dubine materije, okrenimo pogled prema gore.

Na primjer, poznato je da je udaljenost do Mjeseca u prosjeku skoro 400 hiljada kilometara, do Sunca - 150 miliona, do Plutona (koji se više ne vidi bez teleskopa) - 6 milijardi, do najbliže zvijezde Proxima Centauri - 40 triliona, do najbliže velike galaksije Andromedine magline - 25 kvintiliona, i konačno do periferije vidljivog Univerzuma - 130 sekstiliona.

Impresivno, naravno, ali razlika između svih ovih “kvadri-”, “kvinti-” i “sexti-” ne izgleda tako velika, iako se međusobno razlikuju hiljadu puta. Mikrosvijet je sasvim druga stvar. Kako da se u njemu krije toliko zanimljivih stvari, jer jednostavno nema gde da stane? Tako nam kaže zdrav razum I pogrešno.

2. Ako stavite najmanju poznatu udaljenost u svemiru na jedan kraj logaritamske skale, a najveću na drugi, onda će u sredini biti... zrno pijeska. Njegov prečnik je 0,1 mm.

3. Ako stavite 400 milijardi zrna peska u red, njihov red će kružiti oko celog sveta duž ekvatora. A ako skupite istih 400 milijardi u vreću, ona će težiti oko tonu.

4. Debljina ljudske dlake je 50-70 mikrona, odnosno ima ih 15-20 po milimetru. Da biste s njima rasporedili udaljenost do Mjeseca, trebat će vam 8 triliona vlasi (ako ih dodate ne po dužini, već po širini, naravno). Pošto ih ima oko 100 hiljada na glavi jedne osobe, ako sakupite kosu od čitavog stanovništva Rusije, biće ih više nego dovoljno da stignete do Meseca, a čak će ih i ostati.

5. Veličina bakterija je od 0,5 do 5 mikrona. Ako prosječnu bakteriju povećate do te veličine da nam udobno stane na dlan (100 hiljada puta), debljina dlake će postati jednaka 5 metara.

6. Inače, u ljudskom tijelu živi cijeli kvadrilion bakterija, a njihova ukupna težina je 2 kilograma. Zapravo, ima ih čak i više od ćelija samog tijela. Dakle, sasvim je moguće reći da je osoba jednostavno organizam koji se sastoji od bakterija i virusa s malim inkluzijama nečeg drugog.

7. Veličine virusa variraju čak i više od bakterija - skoro 100 hiljada puta. Da je to slučaj sa ljudima, onda bi bili visoki između 1 centimetar i 1 kilometar, a njihovi socijalna interakcija bio bi zanimljiv prizor.

8. Prosječna dužina najčešćih tipova virusa je 100 nanometara ili 10^(-7) stepeni metra. Ako ponovo izvršimo operaciju aproksimacije na način da virus postane veličine dlana, tada će dužina bakterije biti 1 metar, a debljina dlake 50 metara.

9. Talasna dužina vidljive svjetlosti je 400-750 nanometara i jednostavno je nemoguće vidjeti objekte manje od ove vrijednosti. Nakon pokušaja da osvijetli takav objekt, val će ga jednostavno zaobići i neće se reflektirati.

10. Ponekad ljudi pitaju kako atom izgleda ili koje je boje. Zapravo, atom ne liči ni na šta. Samo ne uopste. I to ne zato što naši mikroskopi nisu dovoljno dobri, već zato što su dimenzije atoma manje od udaljenosti za koju postoji sam koncept "vidljivosti"...

11. 400 triliona virusa može biti čvrsto spakovano po obodu zemaljske kugle. Puno. Svjetlost pređe ovu udaljenost u kilometrima za 40 godina. Ali ako ih sve spojite, lako će vam stati na vrh prsta.

12. Približna veličina molekula vode je 3 puta 10^(-10) metara. U čaši vode ima 10 septiliona takvih molekula - otprilike isti broj milimetara od nas do Andromedine galaksije. A u kubnom centimetru zraka nalazi se 30 kvintiliona molekula (uglavnom dušika i kisika).

13. Promjer atoma ugljika (osnova cjelokupnog života na Zemlji) je 3,5 puta 10^(-10) metara, odnosno čak je malo veći od molekula vode. Atom vodonika je 10 puta manji - 3 puta 10^(-11) metara. Ovo, naravno, nije dovoljno. Ali koliko malo? Nevjerovatna činjenica je da se najmanje, jedva vidljivo zrno soli sastoji od 1 kvintiliona atoma.

Okrenimo se našoj standardnoj skali i zumirajmo atom vodika tako da nam udobno stane u ruku. Virusi će tada biti veličine 300 metara, bakterije će biti velike 3 kilometra, a debljina dlake će biti 150 kilometara, a čak i u ležećem stanju će izlaziti izvan granica atmosfere (a po dužini može doseći mjesec).

14. Takozvani “klasični” prečnik elektrona je 5,5 femtometara ili 5,5 na 10^(-15) metara. Veličine protona i neutrona su još manje i iznose oko 1,5 femtometara. Postoji približno isti broj protona po metru kao i mravi na planeti Zemlji. Koristimo uvećanje koje nam je već poznato. Proton udobno leži na dlanu, a tada će veličina prosječnog virusa biti jednaka 7.000 kilometara (usput rečeno, gotovo veličine cijele Rusije od zapada do istoka), a debljina dlake biti 2 puta veći od Sunca.

15. Teško je reći nešto određeno o veličinama. Procjenjuje se da su negdje između 10^(-19) - 10^(-18) metara. Najmanji - pravi kvark - ima "prečnik" (napišimo ovu riječ pod navodnicima da vas podsjetimo na gore navedeno) 10^(-22) metara.

16. Postoji i takva stvar kao što su neutrini. Pogledaj svoj dlan. Svake sekunde kroz njega proleti trilion neutrina koje emituje Sunce. I ne morate sakriti ruku iza leđa. Neutrini mogu lako proći kroz vaše tijelo, kroz zid, kroz cijelu našu planetu, pa čak i kroz sloj olova debljine 1 svjetlosne godine. "Prečnik" neutrina je 10^(-24) metara - ova čestica je 100 puta manja od pravog kvarka, ili milijardu puta manja od protona, ili 10 septiliona puta manja od tiranozaurusa. Sam tiranosaurus je skoro isto toliko puta manji od cijelog vidljivog svemira. Ako neutrino povećate tako da bude veličine narandže, tada će čak i proton biti 10 puta veći od Zemlje.

17. Za sada se iskreno nadam da bi vas jedna od sljedeće dvije stvari trebala pogoditi. Prvi je da možemo ići još dalje (pa čak i napraviti neka inteligentna nagađanja o tome šta će tamo biti). Drugo - ali u isto vrijeme još uvijek je nemoguće beskonačno se kretati dublje u materiju, a uskoro ćemo upasti u ćorsokak. Ali da bismo postigli ove veoma „slepe” veličine, moraćemo da se spustimo za još 11 redova veličine, ako računamo od neutrina. Odnosno, ove veličine su 100 milijardi puta manje od neutrina. Inače, zrno pijeska je isto toliko puta manje od cijele naše planete.

18. Dakle, na dimenzijama od 10^(-35) metara suočeni smo s tako divnim konceptom kao što je Planckova dužina - minimalna moguća udaljenost u stvarnom svijetu(koliko je to opšte prihvaćeno u modernoj nauci).

19. Ovdje žive i kvantne žice - objekti koji su vrlo upečatljivi sa bilo koje tačke gledišta (na primjer, jednodimenzionalni su - nemaju debljinu), ali za našu temu je važno da i njihova dužina bude unutar 10^(-35 ) metara. Uradimo naš standardni eksperiment sa "uvećanjem" posljednji put. Kvantni niz postaje prikladne veličine, a mi ga držimo u ruci kao olovku. U ovom slučaju, neutrino će biti 7 puta veći od Sunca, a atom vodonika 300 puta veći od veličine Mliječnog puta.

20. Konačno dolazimo do same strukture svemira – skale na kojoj prostor postaje kao vrijeme, vrijeme kao prostor i razne druge bizarne stvari se dešavaju. Nema ništa dalje (vjerovatno)...

Ne postoji „karika koja nedostaje“ u ljudskoj evoluciji

Termin "karika koja nedostaje" izašao je iz upotrebe u naučnim krugovima jer je povezan s pogrešnom pretpostavkom da je evolucijski proces linearan i da se odvija sekvencijalno, "u lancu". Umjesto toga, biolozi koriste izraz "posljednji zajednički predak".

Zanimljive činjenice o Sunčevom sistemu