Zašto ne možemo vidjeti atome?
Uvod
U svom neumornom istraživanju svemira, znanstvenici koriste napredne teleskope da bi promatrali svjetlost koja je napustila galaksije prije 13,5 milijardi godina, poput one iz daleke galaksije JADES-GS-z14-0. No, zašto nam predstavlja izazov promatrati stvari u najmanjim razmjerima, prema atomima? Mislimo li da možemo iskoristiti leće za promatranje atoma? Na velika žalost, odgovor je ne.
Vidljiva svjetlost i atomi
Vidljiva svjetlost, čija se valna duljina kreće između 400 i 700 nanometara, veća je od samog atoma, koji ima veličinu od otprilike 0,1 do 0,3 nanometra. Zamisli da je piksel na tvom ekranu nemoguć za prikaz objekta manjih dimenzija od samog piksela. Kako objašnjava Sveučilište Purdue, “nikada nećemo moći vidjeti atome ili molekule koristeći vidljivu svjetlost, čak ni s najmoćnijim mikroskopima”.
Kako x-zrake pomažu u vizualizaciji atoma
Međutim, x-zrake imaju dovoljno kratku valnu duljinu (oko 0,01 do 10 nanometara) da se mogu koristiti za “gledanje” atoma. Kada x-zrake udaraju u kristalizirane molekule, elektroni oko svakog atoma reflektiraju x-zrake, stvarajući uzorak prilikom izlaska – što se naziva uzorak difrakcije x-zraka. Dodatno, korištenje kristala je ključno, jer uzorak jedne molekule može biti beznačajan, dok višestruke jednake molekule u kristalu pojačavaju uzorak.
Korištenje elektrona za promatranje atoma
Osim x-zraka, elektroni su još jedan korisni alat za vizualizaciju atoma i molekula u raznim tehnikama elektronske mikroskopije. Zanimljivo je da elektroni posjeduju svojstvo dualnosti vala. “Dvojakost valne i čestice elektrona određuje temelj elektronske mikroskopije. Tako što se elektroni tretiraju kao valovi, znanstvenici mogu iskoristiti njihove kratke valne duljine za stvaranje detaljnih slika atoma,” objašnjava Electron Beam Machine.
Znanstvenici šalju snopove elektrona na uzorak velikim brzinama i bilježe gdje ti elektroni i drugi rezultantni zraci završavaju. “Kada snop prolazi kroz uzorak, elektroni stupaju u interakciju s atomima na razne načine. Ti signali, poput raspršenih elektrona ili emitiranih x-zraka, koriste se za izradu slika.”
Napredak u vizualizaciji atomskih struktura
U posljednjim godinama, istraživači sa Sveučilišta Cornell kombinirali su elektronsko skeniranje s ptychografijom – skeniranjem slojeva preklapajućih uzoraka raspršenja – što je rezultiralo najboljom slikom atoma do sada. Ova slika, prikazana na vrhu, prikazuje kristal ortohandata prazeodimija (PrScO3) u povećanju od 100 milijuna puta.
David Muller, profesor inženjerstva na Cornell-u, naglašava važnost ovog otkrića: “Ovo ne postavlja samo novi rekord, već doseže granicu koja će efektivno biti konačna granica za razlučivost.”
Zaključak
Iako postoje manje čestice od sličica elektrona, poput neutrina, one se ne mogu koristiti za vizualizaciju. Neutrini komuniciraju putem slabih sila i gravitacije, što otežava njihovo otkrivanje. Znanstvenici će morati osmisliti nove inovativne tehnike za vizualizaciju još manjih čestica. Možda smo već vidjeli izvanredne detalje o gradivnim blokovima materije u najvećoj razlučivosti koju ćemo ikada postići.
