Предложена технология голографической съемки молекулярных структур с детализацией картинки до отдельных атомов
Исследователи из Института физики микроструктур Макса Планка и Технологического университета Дортмунда, Германия, разработали уникальную технологию съемки, позволяющую получить четкое трехмерное голографическое изображение внутренних сегментов сложных молекулярных структур с уровнем детализации до отдельных атомов. Все существующие и широко распространенные до этого момента методы съемки, включая сканирующую туннельную микроскопию, позволяли получать картинку, детализированную до уровня поверхности молекул. Расширение практических возможностей съемки с настолько высокой степенью детализации открывает беспрецедентные возможности для изучения химических и физических свойств, как существующих, так и перспективных материалов.
Существование практических методов непосредственного визуального наблюдения «изнанки» молекулярной структуры до самого последнего момента не укладывалось в воображении ученых. Все, что было в их распоряжении — это теоретический расчет на основе существующих классических формул и законов или же косвенные методы, дающие результат ограниченной точности. Острейший дефицит достоверной информации полученной экспериментальным путем и позволяющей получить точное представление о положении атомов накладывал целый ряд ограничений на исследование тесной взаимосвязи между молекулярной структурой и обусловленными ею физическими и химическими свойствами веществ. Ранние попытки пробраться внутрь молекулы, используя голографические методы ожидаемых и существенных результатов не приносили. Максимально, чего удавалось достичь в ходе самых успешных подобных экспериментов — получение изображений лишь частично отражающих природу молекулярной структуры (максимально — до 10 атомов), что, конечно же, нельзя было признать эффективным решением поставленной задачи. При этом количество артефактов на изображении сводило на нет даже эти весьма скромные результаты.
Разработанная немецкими учеными технология голографической съемки вобрала в себя возможности сразу нескольких методов, использованных ранее. При этом каждый из них был подвергнут кардинальной авторской доработке. Полученное в результате изображение оказалось не только полностью освобождено от артефактов, но и способно нести информацию о расположении тысяч атомов в пределах одного снимка и позволяет отличать атомы разных элементов молекулярной структуры одни от других.
Предложенный и продемонстрированный авторами технологии на примере создания 3D-голограммы пирита (FeS2) метод одновременно гениально прост и сложен и включает в себя несколько последовательных этапов. Основа концепции — эффект рассеяния луча электронов атомами, входящими в состав молекул. Поток электронов испускается искусственным источником и рассеивается атомами входящими в составе молекул. Количественные изменения в направлении движения и интенсивности потока, возникающие при встрече электронов с атомами фиксируют высокочувствительные датчики. Полученная информация ложиться в основу при формировании дифракционной решетки по которой на финальном этапе удается восстановить трехмерное голографическое изображение с детальным и точным расположением каждого из атомов.
Одной из новаторских идей группы специалистов в данном случае стала идея усиления энергии электронов пучка до несколько тысяч электрон-вольт, тогда как альтернативные методики работают с несколькими сотнями. Более «энергичный» электронный луч, собранный в узкий конус позволяет добиться значительно большей его концентрации, что позволяет свести к минимуму вредный эффект рассеяния — прямой причины возникновения артефактов и снижения информативности картинки.
Для достижения максимальной точности и качества изображения ученые не ограничились вполне информативным «первым» дифракционным образом, а предложили улучшить качество изображений за счет цифровой обработки и последующего усреднения 20 последовательно получаемых изображений. В результате фоновые шумы и артефакты удалось свести к незначащему минимуму и получить практически идеальную картинку, полностью соответствующую требованиям поставленной задачи.
Достигнутые результаты, как полагают немецкие ученые, это не просто один из уже существующих методов голографической съемки, это принципиально новые возможности для изучения свойств существующих и создания новых материалов, возможность разработки принципиально новых технологий для многих прикладных отраслей науки и техники в числе которых биотехнологии, медицина, материаловедение и многие другие.
Подробнее с результатами исследований и проведенных экспериментов вы сможете познакомится на страницах популярного научного интернет-издания Nano Letters.
На этом всё, с вами был простой сервис для выбора сложной техники Dronk.Ru. Не забывайте подписываться на наш блог, будет ещё много интересного…
Спонсор поста кэшбэк-сервис LetyShops. Возвращайте деньги за любые покупки в интернете. Подробнее о том что такое кэшбэк-сервис читайте в нашей статье Выбираем кэшбэк-сервис на 6-летие Алиэкспресс
