Создан первый четырехмерный микроскоп

Новейшая технология, благодаря которой ученые могут теперь не только довести увеличение атомов и молекул до рекордно больших размеров, но и разбирать мельчайшие наноструктуры на элементы размером с миллиардную часть метра, была представлена на днях в США.

Наблюдать за этими процессами можно в режиме реального времени и объемного пространства. Изобретателем и первым испытателем четырехмерного микроскопа стал лауреат Нобелевской премии в области химии профессор Ахмед Зеваил.

"До настоящего времени самыми мощными считались атомно-силовой и сканирующий туннельный микроскопы. Чтобы представить масштабы их возможностей, достаточно напомнить тот факт, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа сотрудникам Исследовательского центра компании IBM Дональду Эйглеру и Эрхарду Швейцеру удалось выложить из атомов ксенона надпись IBM. Правда, подобные манипуляции производились в условиях сверхнизких температур и абсолютного вакуума. Однако, даже несмотря на то что, когда температура поднялась до -230°С, буквы исчезли, ученые поняли, что атомы им подвластны, - рассказал РБК daily кандидат технических наук доцент Московского авиационного технологического института им. К.Э. Циолковского Владимир Кузькин. - Трудно представить, каких высот достигнет наука с помощью 4D-микроскопа. Ведь ученые смогут наблюдать мельчайшие элементы атомного ядра - кварки, которые пока находятся за пределами человеческого воображения".

Заслуга Ахмеда Зеваила состоит в том, что он первым использовал ультракороткие лазерные вспышки для наблюдения за фундаментальными химическими реакциями - объединением и распадом молекул, которые происходят на скорости света. Атомные реакции происходят за миллионную долю миллиардной части секунды - в фемтосекунду, и Зеваил был первым, кто "поймал" этот миг. Однако до сих пор ему не удавалось рассмотреть сам атом. С помощью 4D-микроскопа, разработанного в лаборатории молекулярной науки, ученые смогут снимать в реальном времени, а затем отслеживать изменение в структуре атомов и электронов. При этом изображение в микроскопе будет напоминать кадры из фильмов, снятых в высоком качестве. Ученым уже удалось рассмотреть структуру атомов золота и графита.

"Кадры молекул в движении привнесли в электронную микроскопию размерность времени, - пояснил РБК daily член-корреспондент РАН, заместитель директора Института радиотехники и электроники РАН Сергей Никитов. - Вообще, еще в 1872 году английский фотограф Эдвард Майбридж сумел сверхкороткой выдержкой фотографии заснять скачущую лошадь, что позволило ему из коротких снимков сделать фильм и показать, что во время скачки лошадь отрывает все четыре ноги от земли. Так же и в четырехмерной электронной микроскопии - обычная электронная микроскопия (двух- или трехмерная) позволяет видеть объекты размером менее нанометра (одна миллиардная доля метра), тогда как во вновь придуманной микроскопии ученым удалось заснять траектории рассеиваемых атомами электронов и таким образом увидеть изучаемые объекты в движении. Подтверждение тому зафиксированные наноколебания графитовых слоев (фактически их звучание) и движение наночастичек золота, разгибание и сгибание молекул".

4D-микроскоп работает как генератор потока электронов, которые, наталкиваясь на исследуемые атомы, отражаются от них, проецируя тем самым изображение. Электроны используются, чтобы визуализировать наименьший из объектов на уровне атомов, потому что длина волны радиационного источника, используемого микроскопом, должна быть короче, чем промежутки между атомами. Однако кроме визуального наблюдения за атомами, движение которых замедляется микроскопом в миллиарды раз, ученые теперь располагают и аудиозаписью "голоса" электрона. В эксперименте с графитом отражающиеся электроны доносили до микроскопа не только изображение атомов графита, но и наноколебания материала, похожие на биение сердца, уловить которые не может ни одно существо на Земле. Причем исследователи заметили, что в зависимости от температурных условий и интенсивности внешнего воздействия графит "говорит" совершенно по-разному. Помимо твердых материалов с помощью нового микроскопа Ахмед Зеваил исследует и живые структуры - клетки, белки, хромосомы. Ученые уже проникли внутрь клетки живой мыши.

"Разработка четырехмерной микроскопии стала настоящим прорывом в науке, - отметил Сергей Никитов. - И ее преимущества очевидны - на наноразмере можно видеть, например, как и из-за чего изменяются свойства веществ при нагреве, освещении и т.д. Пока же НИИ пользуются обычной трехмерной электронной микроскопией, хотя она и недешева. Но в ближайшее время, я думаю, научный мир возьмет на вооружение 4D-микроскопию и будет использовать ее в новых разработках и исследованиях".

Цель своего проекта американский нобелевский лауреат видит в том, чтобы следить за клетками в их развитии, сравнивать между собой атомарные структурные элементы в разные периоды времени. Ведь, по словам ученого, 4D-микроскопу удалось остановить время, переведя скорость света и звука на доступный для человека временной уровень. И именно это революционное открытие позволит исследователям заглянуть в самую суть вещей.

Екатерина Люльчак