IT-байки: 4D наномикроскоп - Виват, атомное кино! / Аналитика

Нынче каждый из нас может без особых затрат стать сценаристом, режиссёром, оператором, монтажником и даже продюсером своего собственного фильма, никого этим уже не удивить. Другое дело, что о явлениях микроскопических масштабов, и уж тем более масштабов с приставкой "нано-" мы чаще всего судим по двухмерным снимкам электронных микроскопов, а то и вовсе по схематическим рисункам в векторе. Какое уж там кино, когда для передачи статического изображения с разрешением на уровне отдельных молекул не всегда достаточно возможностей даже самых мощных современных электронных микроскопов. Раз уж учёные смогли освоить фотосъёмку атомарного уровня, возникает законный вопрос: почему бы не заняться съёмкой наноструктур на видео в реальном времени, с визуализацией реального масштаба, чтобы "вживую" отслеживать изменения с точностью до одной миллионной метра?

Скоро сказка сказывается, да ещё скорее развиваются современные технологии. На днях весь мир облетела сенсационная новость из Калифорнийского технологического Института (California Institute of Technology, Caltech), где группа учёных из отделения Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology под руководством профессора химии и физики Ахмеда Зевали (Ahmed Zewail), лауреата Нобелевской премии 1999 года в области химии, представила технологию под названием 4-мерный (4D) электронный микроскоп. Профессор Зевали, кстати отметить, получил свою Нобелевскую премию в качестве основоположника современной фемтохимии. Напомню: приставка "фемто", произошедшая от датско-норвежского femto ("пятнадцать"), означает, 10_-15, то есть, десять в минус пятнадцатой степени, что в миллион раз меньше так любимой нынче всеми размерности "нано" и в тысячу – "пико". Так вот, именно профессор Зевали первым разработал технику применения сверхкоротких импульсов лазера для наблюдения фундаментальных химических реакций – процесса объединения атомов в молекулы и наоборот. Процессы эти, надо отметить, проистекают в кратчайшие временные промежутки, как раз измеряемые в фемтосекундах – одной миллионной от миллиардной доли секунды. Работу под названием " Captured atoms and molecules in motion " (фиксирование атомов и молекул в движении) по значимости и сути Зевали сравнивает со знаменитыми снимками "замороженного движения" фотографа XIX столетия Эдварда Мэйбриджа (Edward Muybridge), впервые запечатлевшего момент, когда галопирующая лошадь отрывает от земли все четыре копыта.

По словам профессора Зевали, традиционные 2D и даже 3D кадры снимков молекул, сделанные с помощью электронного микроскопа, позволяют от силы определиться с временными рамками, но не дают никакого представления о структуре и масштабах процесса. По аналогии с "движущимися снимками" XIX века, с использованием традиционных технологий учёные могли лишь догадываться что лошадь скачет, но не имели никакого представления о том, что это именно лошадь. Есть ли у этой лошади хвост, какой он длины? Основная цель, поставленная перед разработчиками нового 4D (пространственно-временного) электронного микроскопа, была сформулирована примерно так: обеспечить процесс наблюдения как в пространственных измерениях, так и по временной шкале; увидеть структуру и процесс изменения сложных физических и биологических систем на атомарном уровне в реальном времени. Здесь для полной ясности стоит уделить несколько строк описанию работы электронного микроскопа в его традиционном исполнении. Дело в том, что в настоящее время с помощью электронных микроскопов учёные имеют возможность наблюдать структуры объектов с разрешением более одной миллиардной метра (или одной миллионной миллиметра, то есть, нанометра). Принцип работы такого электронного микроскопа заключается в генерации потока электронов, направленных на объект наблюдения и соответственно формирующих финальную картину. Применение электронов для визуализации объектов атомарного масштаба обусловлено классическими физическими принципами - длина волны источника излучения микроскопа должна быть короче межатомных расстояний. По той же причине порой используются дополнительно разогнанные пучки электронов: по мере возрастания скорости снижается длина волны. Однако всё это хорошо лишь для наблюдения за статическими объектами и не очень подходит для фиксации поведения атомов одновременно в пространстве и времени. Главным образом потому, что пучки электронов по своей дискретной структуре достигают изучаемого объекта через определённые временные интервалы. Теперь мы добрались до сути технологии 4D электронного микроскопа. Группе учёных под началом профессора Зевали впервые на практике удалось реализовать идею где четвёртое измерение – время, представлено специальным электронным микроскопом с очень высоким разрешением. Отображение процесса в таком микроскопе производится с помощью сверхбыстрого "одноэлектронного" излучения, при этом строгим образом контролируется траектория каждого (!) электрона во времени и пространстве. В результате информация о наблюдаемом объекте, получаемая с помощью каждого электрона, отображает момент с дискретностью фемтосекунды!

Только представьте себе фильм, в котором процесс отображается последовательным показом не 25, и даже не 30 картинок в секунду, но миллионами. Миллионы статических снимков, из которых складывается цифровой видеофильм о жизни атомов в реальном времени, и, что называется, в натуральную величину!

По данным лаборатории, первыми исследованиями, которые провела группа учёных под руководством профессора Зевали с помощью 4D микроскопа, стали наблюдения свойств атомов в сверхтонких "нанолистах" золота и графита. У пластин золота, подвергнутых нагреву, наблюдался эффект расширения атомной структуры и ультрабыстрые кратковременные деформации-изгибы.

4D представление скоротечных процессов изменения структур и морфологии - наночастицы золота

Ссылка на демонстрационный файл 4D наблюдения пластин золота, AVI, 990 Кб

Но особенный интерес вызвали исследования многослойной наноструктуры графита с временной шкалой в фемтосекундах, где наблюдалось движение атомов углерода по уникальным когерентным траекториям. Более того, при наблюдении процесса с применением более "длительной" шкалы в пикосекундах (одна тысячная миллиардной доли секунды, то есть, в тысячу раз продолжительнее фемтосекунды), учёным удалось обнаружить, что графитовые нанопластины генерируют волны в звуковом диапазоне. Благодаря полученным "движущимся картинкам" удалось впервые произвести визуальное наблюдение "эластичных" движений наноструктуры графита и определить порядок силы, удерживающих слои графита – это свойство растяжения-сжатия материи называют "модулем упругости Юнга". Именно благодаря "4D фильму" удалось впервые воочию наблюдать изменения такого рода в пространстве и времени.

4D представление скоротечных процессов изменения структур и морфологии - наночастицы графита

Ссылка на демонстрационный файл 4D наблюдения: Графитовый "нанопингвин", AVI, 450 Кб

Другим, не менее интересным экспериментом лаборатории Зевали с помощью новой 4D технологии визуализации стало наблюдение изменений в графитовой мембране нанометровой толщины за длительный период времени, означающий в данном случае миллисекунды (тысячные доли секунды). Первым делом учёные подвергли графитовую мембрану воздействию пульсирующего источника тепла, при этом "разогретые" атомы углерода начали вибрировать в произвольном, не синхронизированном порядке. Впрочем, по прошествии некоторого времени колебания отдельных атомов начали синхронизироваться с различными фазовыми сдвигами, что по прошествии некоторого времени превратилось в "бой барабанов", схожий по рисунку ритма с биением сердца.

4D представление скоротечных процессов изменения структур и морфологии - Механический

Ссылка на демонстрационный файл 4D наблюдения: Механический "нанобарабан ", AVI, 4,3 Мб

Не поленитесь, сходите по ссылке ниже и посмотрите видеозапись процесса, замедленную относительно реальной скорости в более чем миллиард раз: ролик прекрасно демонстрирует механический принцип функционирования этого "нано-барабана" с резонансом на классической для этого материала частоте 1,08 МГц. Перспективы и значимость для науки 4D электронного микроскопа трудно переоценить. Если для вас что-то значат слова авторитетов, то сэр Джон Томас (Sir John Thomas) из Кембриджского Университета, мировая величина среди экспертов по электронным микроскопом, назвал это изобретение не больше не меньше как "революционным": "Теперь открыта дверь для мириадов исследований физических и биологических наук". Полагаю, в настоящее время толком не определены даже ключевые направления научных исследований, где новый инструмент сможет представить уникальные возможности. По словам профессора Зандера, технология 4D отображения перемещений на атомарном уровне позволит проводить уникальные исследования в области структурных, морфологических и наномеханических свойств различных материалов, а сам принцип непосредственной визуализации процесса быстрее понимать что же именно происходит. Приведённые выше примеры исследований свойств сверхтонких пластин золота и графита говорят лишь напоминают о том, что заказчиками нового прибора были Лаборатория молекулярных наук при Национальном научном фонде США (Laboratory for Molecular Science by the National Science Foundation) и Биофизический центр при Фонде Гордона и Бетти Мур (Physical Biology Center by Gordon and Betty Moore Foundation). Помимо этих организаций работы по созданию 4D электронного микроскопа также спонсировались грантами от Секретариата научных исследований Военно-воздушных сил США (Air Force Office of Scientific Research) и Фонда Национальных институтов здравоохранения США (National Institutes of Health). Так что ключевые направления дальнейшего использования нового уникального прибора предсказать нетрудно – это прикладная и фундаментальная физика, химия, биохимия наноструктур и военные исследования.

В настоящее время учёные приступили к использованию 4D микроскопа для отображения процессов, происходящих в компонентах клеток – протеинах и рибосомах, клеточных "генераторах" протеинов. Уже получены изображения окрашенных клеточных материалов тканей крыс и совсем недавно – кристаллических протеинов и клеток в стекловидных телах.

Ссылка на демонстрационный файл 4D наблюдения: Разворачивание и исчезновение спиралей ДНК (РНК), AVI, 6,1 Мб

Ближайшей целью улучшения функциональных возможностей 4D электронного микроскопа учёные ставят увеличение структурного разрешения изображения для более подробного изучения динамики биоматериалов в процессе их перемещения и распада, в реальном времени.

Кстати, нравится ли вам название технологии – "электронный 4D микроскоп"? В англоязычном первоисточнике именно так и пишут: 4D electron microscope. Если честно, мне не очень – несмотря на действительное присутствие четвёртого измерения, времени, звучит так себе. Если уж от души "работать на публику", мне кажется, значительно более звучным был бы термин вроде "Атомное кино". Вот уж воистину "лучше один раз увидеть, чем…". Народная мудрость ещё раз подтверждается на практике. Возможность смотреть и изучать видеоматериалы "из частной жизни атомов" может принести фундаментальные изменения в практику исследований свойств наноструктур и наноматериалов. Вполне возможно, что широкое распространение практики использования 4D микроскопа позволит совершенно по-новому взглянуть на многие научные и инженерные задачи, и даже в перспективе разработать новые методики их решения. Словом, пламенный привет братьям Люмьер и коллективу профессора Зевали - всё только начинается!

Материалы для дополнительного изучения:

Ссылки по теме: