Человек хочет знать все

Возможно, не все обратили на это внимание, но последние несколько месяцев в исследовании мира и Вселенной — череда откровений исторической важности. Снова и снова мы что-то видели впервые в истории — и это черная дыра (1), а это химические молекулы в атомарных деталях (2)… Благодаря стремительному развитию методов визуализации мы видим больше и многое другое, часто открывая глаза в изумлении.

2. Молекулярная визуализация

3. МРТ-изображения атомов титана

Может быть удивительным, например, что с помощью методов визуализации, использующих магнитно-резонансная томография (МРТ) известное из больниц, мы «видим» атомы (3). В прошлом году это удалось исследователям из исследовательского центра IBM Almaden Research Center в Сан-Хосе и Института фундаментальных наук в Сеуле.

Кристофер Лутц, физик из IBM, и его коллеги объединили МРТ со сканирующим туннельным микроскопом. Сканирующий наконечник здесь имеет ширину всего несколько атомов и перемещается по поверхности образца, собирая детали о размере и структуре частиц.

Ученые присоединили к нему намагниченные атомы железа. Согласно описанию в журнале Nature Physics, такая система возбуждала электроны в образце железо-титан, что затем давало изображение отдельных атомов с субангстремным разрешением (менее миллионных долей метра).

Атомы и клетки в четырех измерениях

Удивительно и то, что некоторых исследователей уже не удовлетворяют даже трехмерные изображения атомных структур — они ищут изображения в 4D (т.е. в трех измерениях пространства и времени).

Команда под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе объявила, что такая визуализация была успешно проведена осенью 2019 года. Фактически, идея заключалась в том, чтобы впервые получить представление о процессе зарождения во время фазового перехода материала. Результаты, опубликованные в журнале Nature, расходятся с предсказаниями классической теории.

Калифорнийские ученые использовали процесс под названием «атомно-электронная томография », который создает трехмерные изображения атомов внутри материала, аналогичные медицинским КТ-изображениям структур внутри человеческого тела.

Чтобы изучить зародышеобразование, ученые нагрели сплав железа с платиной до 520 °C и сделали снимки с интервалами в 9, 16 и 26 минут. При этой температуре сплав переходит между двумя разными твердыми фазами. Хотя невооруженным глазом это выглядит одинаково в обеих фазах, это показывает, что трехмерные атомные системы отличаются друг от друга.

При нагревании структура изменяется от химического состояния смеси до более упорядоченного, с чередующимися слоями атомов железа и платины. Изменение стопы можно сравнить с кубиком Рубика — смешанная фаза характеризуется смешением всех цветов, в то время как в упорядоченной фазе все цвета выравниваются.

В то время как известные теории зародышеобразования утверждали, что ядра семязачатков идеально круглые, оказалось, что они имеют неправильную форму, и этот процесс кажется гораздо более сложным. В исследованиях эмбрионы новой фазы сжимались, разделялись и соединялись вместе, а некоторые из них полностью растворялись.

Подобная «4D-микроскопия», но на уровне живых клеток, а не атомов, является достижением ученых из Китайской академии наук. Они сконструировали систему, которая позволяла наблюдать за процессами в живых клетках с недостижимой ранее скоростью.

В журнале Optica исследователи из Шанхая описали, как они использовали нетрадиционный подход, называемый «фантомное изображение», для увеличения скорости наноскопического изображения.

«У нашего метода визуализации есть потенциал для изучения динамики миллисекундных временных масштабов в субклеточных структурах с пространственным разрешением в десятки нанометров, где происходят биологические процессы», — пишет Ван Чжунъян, один из руководителей исследовательской группы.

Этот новый подход основан на стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия (STORM), удостоенный Нобелевской премии по химии в 2014 г. ШТОРМ, также называемый фотоактивационная локационная микроскопия (PALM), — это метод, в котором используются флуоресцентные маркеры, которые переключаются между состояниями света (включено) и отсутствия света (выключено).

Получение сотен или тысяч изображений позволяет определить местоположение каждого объекта и использовать его для восстановления флуоресцентного изображения.

Раньше ученым часто приходилось замораживать образцы для изучения клеточных мембран. они вели себя в них не так, как в нормальной биологической среде. Недавно исследователи атомных сил из Университета Миссури смогли наблюдать одиночные белки в нормальной биологической среде.

«Мы еще не знаем подробного хода ряда биологических процессов. Например, когда лекарство попадает в клетку, оно должно пересечь мембрану, что может вызвать реакцию, природу которой мы не понимаем. Познакомившись с ним, мы сможем создать лучшую специфику и, возможно, вызвать меньше побочных эффектов», — объясняет в научной публикации Гэвин Кинг, доцент кафедры физики и астрономии университета.

Как выглядит химическая молекула?

Первая в истории картина реальной химической структуры была получена всего десять лет назад.

В 2009 году ученые из IBM Research-Zurich Lab в Швейцарии использовали nc-AFM, т.е. бесконтактный атомно-силовой микроскоп, чтобы посмотреть на атомную основу одной молекулы пентацена, наблюдая ее пять сплавленных бензольных колец и даже ее углерод-водородные связи.

Этот прорыв стал возможен благодаря выбору подходящей молекулы для завершения исследовательского зонда, то есть такой, которая могла бы приближаться к поверхности пентацена, не реагируя с ней и не связываясь с ней.

В настоящее время он по-прежнему является основным методом определения химических структур. Рентгеновская кристаллография, недавно связанный с спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Оба метода требуют кристаллов или очень чистых образцов, а модели химической структуры строятся не столько на прямом наблюдении или сканировании, сколько на анализе структур или спектров дифракции.

Ученые, однако, начинают использовать новые, чтобы показать молекулы. К ним относится уже упомянутая низкотемпературная методика бесконтактного атомно-силового микроскопа (нк-АСМ).

Используя очень маленький наконечник зонда, размером даже с одну молекулу, он создает изображения, которые точно показывают, где находится каждый атом и как они химически связаны с другими атомами. Он сканирует тщательно подготовленную, чистую монокристаллическую поверхность на постоянной высоте и «ощущает» силы между молекулой зонда и отдельными атомами и молекулярными связями.

Однако использование нк-АСМ имеет некоторые ограничения. Исследуемые молекулярные поверхности должны быть плоскими, поскольку они не могут работать с большими трехмерными структурами, такими как белки или молекулярные структуры компонентов сырой нефти (4).

4. Процесс различения молекул, содержащих определенные элементы в сырой нефти в АСМ

5. 3D изображения атомно-силовой микроскопии

Более того, из-за медленного процесса сканирования за один эксперимент можно исследовать всего несколько сотен частиц. По мнению специалистов, это ограничение можно преодолеть благодаря тому, что оно позволит автоматизировать эти действия и дополнить изображения частиц данными машинного обучения.

Идея для трехмерные молекулы в атомно-силовых микроскопах (5) имеет синдром Даниэля Эбелинга из Университета Юстуса Либиха в Гиссене, Германия. Он предлагает использовать туннельный ток между зондом АСМ и образцом, чтобы контролировать высоту иглы, чтобы она точно соответствовала топографии молекулы.

Поскольку туннельный ток между иглой АСМ-устройства и поверхностью образца зависит от расстояния между ними, это означает, что высота иглы может отслеживать топографию частицы при сканировании.

Невиданные ранее измерения

Динамически развивающиеся методы визуализации позволяют проводить все более точные измерения некоторых измерений, которые, как это ни удивительно, еще не определены с предельной точностью.

Недавно, в ноябре 2019 года, с помощью нового метода измерение размера протона рассеивая электроны, команда под названием PRad (od, или «радиус протона») измерила новое значение размера этой элементарной частицы.

Результаты эксперимента, проведенного в Национальном центре ускорителей Министерства энергетики, опубликованы в журнале Nature. Новое значение радиуса протона равно 0,831 фмчто меньше предыдущего, полученного из рассеяния электронов на 0,88 фм. Излишне говорить, что эти небольшие различия могут иметь большие последствия для науки, хотя это немного другая тема.

В мае 2019 года физики также окончательно определили электронная геометрия. Профессора Доминик Зумбюль и Даниэль Лосс из Базельского университета возглавили группу, разработавшую метод, позволяющий определять пространственную геометрию электронов в квантовых точках (6). Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters вместе с соответствующей теорией, представленной в Physical Review B.

6. Электрон, захваченный квантовой точкой

Протоны или электроны являются одним из наиболее распространенных компонентов Вселенной. Благодаря новым приборам наблюдения мы также можем видеть чрезвычайно редкие вещи, такие как распад изотопа ксенона 124Xeс расчетным периодом полураспада 1,8 · 1022 лет, что более чем в миллиард раз превышает ожидаемый возраст. И мы смогли зарегистрировать это сверхредкое событие в 2019 году.

Произошло это на глубине около 1500 м, в которой находится подземная лаборатория СПГ (Laboratori Nazionali del Gran Sasso), изолированная от любых радиоактивных помех, в которой ищут ученые.

Их инструментом является детектор XENON1T, центральная часть которого состоит из цилиндрической емкости длиной около 1 м, заполненной 3200 кг жидкого ксенона при температуре -95°С.

«Тот факт, что мы смогли наблюдать за этим процессом, прямо показывает, насколько эффективен наш метод обнаружения», — пояснил проф. Лаура Баудис, физик Цюрихского университета.

Образцы, замороженные в кадре

Сегодня методы визуализации и микроскопии представляют собой настоящее горнило инноваций. В конце 2019 года ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) адаптировали ставшую популярной в последние годы методику. mikroskopii krioelektronowej для визуализации мягких образцов пептоидов (7) — белковоподобных молекул с большим потенциалом для биотехнологических применений.

Их исследования, описанные в «Proceedings of the National Academy of Sciences», заключаются в быстрой заморозке пептоидов до температуры около 80 Кельвинов, что укрепляет их структуры и предотвращает разрушение образцов электронами.

Для защиты мягких материалов крио-ЭМ использует меньше электронной микроскопии, чем обычная электронная микроскопия, что приводит к менее качественным черно-белым изображениям. Это, однако, компенсируется количеством изображений, которые создаются сотнями. Сложные алгоритмы объединяют их для создания более подробных изображений атомарного масштаба.

Основным элементом традиционного электронного микроскопа является т.н. электронная пушкакоторые испускают луч, который затем фокусируется через электромагнитные катушки. Когда максимальное увеличение, получаемое с помощью оптического микроскопа, составляет 2000 крат, электронная модель позволяет добиться увеличения до 3 миллионов.

Криоэлектронные микроскопы используют низкие температуры для удержания жидких образцов в движении, что позволяет исследователям видеть белки, молекулярные кластеры и вирусы с удивительной четкостью — настолько, что можно увидеть отдельные атомы.

В настоящее время в мире насчитывается чуть более сотни устройств этого типа. Они не только дороги сами по себе, но и требуют обширного компьютерная и сетевая инфраструктура. Такой микроскоп генерирует до 10 терабайт данных в день, поэтому учреждения, использующие этот метод, создают специальные оптоволоконные сети и центры обработки данных только для обработки изображений с помощью этого метода.

Новые методы визуализации сопровождают быстрое развитие других областей, таких как технология материалов.

Группа ученых из Технологического института Джорджии недавно разработала процесс, помогающий в работе над так называемым сплавы металлов с высокой энтропией (например, половина и половина) или сплавы с высокой энтропией. Это включает в себя создание химической карты с атомарным разрешением, чтобы помочь получить представление об отдельных высокоэнтропийных сплавах и охарактеризовать их свойства.

В исследовании, опубликованном в октябре в журнале Nature, ученые описали использование рентгеновской спектроскопии для картирования отдельных металлов в двух высокоэнтропийных сплавах.

показывают, как отдельные атомы располагаются в сплаве, что облегчает исследователям поиск закономерностей, которые могут помочь в разработке сплавов, подчеркивающих их индивидуальные свойства. Название «высокая энтропия» относится к отсутствию однородности в смеси металлов, а также к тому, сколькими различными и несколько случайными способами могут располагаться атомы этих металлов при их соединении.

Новые карты могут помочь исследователям определить, существуют ли какие-либо нетрадиционные атомные структуры, которые принимают эти сплавы, которые можно было бы использовать для инженерных приложений, и насколько можно получить контроль над смесями, чтобы «настроить» их для конкретных характеристик.

«Динамическая» микроскопия, целью которой является наблюдение за изменениями во времени не только структур, но и атомных уровней, постепенно становится одним из важнейших направлений исследований.

За последние несколько лет Национальная ускорительная лаборатория SLAC Министерства энергетики США разработала новый инструмент для визуализации физических и химических процессов с удивительной прозрачностью. сверхбыстрая «электронная камера» способный отслеживать движение атомов в широком диапазоне материалов в режиме реального времени. На самом деле это инструмент для дифракция сверхбыстрых электронов МэВ-УЭД (8), который использует пучок высокоэнергетических электронов для изучения вещества, в том числе процессов, происходящих в атоме всего за 100 фемтосекунд, или квадриллионных долей секунды.

8. Схема установки SLAC с использованием дифракции сверхбыстрых электронов.

Недавно лаборатория сделала этот инструмент доступным для ученых всего мира.

SLAC также использует устройство, работающее в рентгеновском диапазоне, для аналогичных целей. Когерентный источник света линейного ускорителя (LCLS)который иллюстрирует основные процессы, происходящие в материалах, технологиях и живых существах.

Примером может служить изучение химической реакции, при которой кольцеобразные молекулы раскрываются в ответ на свет — процесс, который играет важную роль в производстве витамина D в нашем организме.

Несколько лет назад ученые сняли молекулярное видео с помощью LCLS, которое дало первое представление о том, как работает реакция. Ученые SLAC считают, что объединение этих двух методов — LCLS и MeV-UED — дает замечательные результаты исследований.

В свою очередь, исследователи из лаборатории Беркли раздвигают границы электронной микроскопии, применяя мощную технику под названием 4D-STEM. Это означает «двумерный растр двумерных дифракционных картин с использованием просвечивающей электронной микроскопии».

Исследователи говорят, что 4D-STEM при использовании с настраиваемыми алгоритмами и мощными электронными микроскопами может помочь ученым составить карту атомных или молекулярных областей в любом материале, даже чувствительном к лучу, который не был виден при использовании предыдущих методов.

Дыры, газы и планеты

Мы опишем методы получения изображения в микромасштабах более подробно, потому что мы имели дело с изображением в макромасштабе, инструментами для обнаружения и наблюдения самых отдаленных уголков Вселенной в последних выпусках «МТ», много, описывая подробно, и все другие обсерватории и.

Самые «горячие» макротемы прошлого года — это наблюдения, в том числе первый «портрет» такого объекта, следующие шаги в развитии гравитационно-волновой астрономии, достижения в области визуализации и «обнюхивания».

Потребовалось восемь телескопов, разбросанных по планете и работавших вместе в течение недели наблюдений, чтобы создать картинку, о которой говорил весь мир. Телескоп телескопа событий (Телескоп горизонта событий) — комплект из восьми наземных радиотелескопов, изготовленных в рамках международного сотрудничества — запечатлел изображение огромная черная дыра в центре галактики М87 и ее тени.

Исследователи предсказывают все более подробные изображения растущего числа черных дыр.

Это событие практически совпало с открытием заслуженного Лазерный интерферометр Гравитационно-волновая обсерватория, на этот раз улучшенный Продвинутый ЛИГО. Пока что это уже подтверждено дюжина обнаружений гравитационных волнбольшинство из них происходят в результате слияния черных дыр, а два, включая последний, подтвержденный еще в 2020 году, — в результате столкновения нейтронных звезд.

Кажется, что колебания пространства-времени после сочетание черной дыры и нейтронной звезды. Об этом заявили ученые, работающие в обсерватории LIGO i. Деваоднако к концу 2019 года это еще не подтверждено.

Детектор гравитационных волн Virgo, расположенный в Италии, присоединился к поиску гравитационных волн в 2017 году, через два года после первых исторических обнаружений. В конце текущего сеанса наблюдений, который завершится в марте 2020 года, детектор под названием KAGRA.

Активация четырех детекторов должна позволить лучше определять местонахождение источников сигнала в небе.

В ноябре 2019 года европейские физики объявили о планах построить огромную подземную обсерваторию гравитационных волн, которая при наличии финансирования может быть введена в эксплуатацию к 2030 году. Европейская лаборатория гравитационных и атомно-интерферометрических испытаний (ELGAR) может находиться во Франции или Италии.

Это будет первый крупномасштабный инструмент, основанный исключительно на квантовых технологиях. Вместо обнаружения гравитационных волн путем отражения лазерных лучей от зеркал, как это делают LIGO, Virgo и KAGRA, ELGAR будет использовать атомная интерферометрия.

Он включает в себя разделение пучка атомов рубидия на две половины и предоставление обеим половинам возможности пройти определенное расстояние, прежде чем они рекомбинируются, чтобы найти различия в их путях. Более длинный путь указывал бы на небольшое искривление пространства-времени, которое могло быть вызвано проходящей гравитационной волной.

ELGAR будет иметь два плеча длиной 32 км, каждое из которых будет содержать 80 атомных «градиометров», разнесенных на 200 м. Градиентометры будут измерять относительную разницу в положениях атомных лучей по мере их прохождения. Такая система позволила бы исследователям обнаруживать гравитационные волны в диапазоне частот 0,1–10 Гц, которые излучались бы, например, некрупными космическими аппаратами. бинарные черные дыры, но неуловимый для нас.

Проект ELGAR аналогичен ранее анонсированному физиками Китая. Объект, известный как Гравитационная антенна атомного интерферометра Zhaoshan с длинной базой — гравитационные волны (ZAIGA-GW) он будет состоять из трех туннелей длиной 1 км в форме равностороннего треугольника, каждое плечо которого будет независимым атомным интерферометром.

Одним из «самых модных» направлений в наблюдении в настоящее время являются новые техники поиска интересных объектов. эзопланета. Чтобы их увидеть, мы отправляем в космос все новые и новые приборы наблюдения.

Телескоп Кеплер был заменен Т.запуск спутника для исследования экзопланет (TESS)который, как сообщалось в начале 2020 года, наконец обнаружил планету, возможно, почти идентичную Земле. Однако появляется все больше и больше наземных устройств для экзопланетной астрономии.

Пример последних месяцев: NEAR (около Земли в регионе Alpha Cen), который представляет собой искатель планет, установленный на Очень большой телескоп (VLT) в Чили, наблюдая за соседними звездами Альфа Центавра A и B в поисках обитаемых экзопланет.

Он разрабатывался в течение последних трех лет и строился в сотрудничестве с Уппсальским университетом в Швеции, Льежским университетом в Бельгии, Калифорнийским технологическим институтом в США и немецкой компанией Kampf Telescope Optics в Мюнхене.

Получение изображений планет в обитаемых зонах, то есть достаточно близко к звездам, является большой технической задачей. Отражаясь от них, он остается вообще в миллиарды раз темнее, чем свет, идущий к нам непосредственно от них самих. Для решения этой проблемы в 2016 году, то есть международный проект поиска экзопланет, и Европейская южная обсерватория (ESO) начали совместную работу по строительству специального объекта под названием с инфракрасным тепловизионным коронографом.

Он разработан, чтобы блокировать большую часть света, исходящего от и оптимизировать улавливание инфракрасного света, излучаемого теплой поверхностью орбитальной планеты. Коронограф был установлен на одном из четырех телескопов VLT с 8-метровой апертурой, модернизируя и модифицируя существующий инструмент под названием VISIR для оптимизации его чувствительности к инфракрасным волнам, связанным с потенциально обитаемыми экзопланетами.

Другое устройство, СИЛА ТЯЖЕСТИустановлен на очень большой interferometrze teleskopowym ESO (VLTI)Весной прошлого года он сделал первое прямое наблюдение экзопланеты с помощью оптической интерферометрии. Этот метод выявил сложную экзопланетарную атмосферу с железными и силикатными облаками, скручивающимися в шторм, на объекте, открытом в 2010 году и вращающемся вокруг молодой звезды HR8799, расположенной примерно в 129 световых годах от Земли в созвездии Пегаса.

9. Карта распределения газа во Вселенной.

В последнее время изображения также были созданы благодаря новому поколению чрезвычайно чувствительных методов обнаружения очень плохо видимых астрономических объектов и использованию сложных методов вычитания фонового света. паутина летучих газов (9), проникая в межгалактическое пространство.

Два волокна этой сети наблюдались международной командой астрономов с помощью телескопа VLT i. Телескоп Кек II. Когда нити освещаются ультрафиолетовым светом галактик, они должны излучать свет в процессе флуоресценции водорода.

***

От самого маленького до самого большого и самого далекого мы видим все больше и больше. И то, что мы видим — помимо того, что становится все более и более удивительным, наполняет нас желанием увидеть еще больше. Сомнительно, что мы когда-нибудь придем к выводу, что видели все.