Mikroskop sił atomowych. Zobaczyć atomy - część 1

Oko, zarówno w przypadku człowieka jak i zwierząt, ma bardzo podobną budowę i pozwala widzieć obrazy przedmiotów oświetlonych światłem widzialnym. Jakkolwiek nie ma górnego ograniczenia na wielkość przedmiotu jaki możemy dostrzec nieuzbrojonym okiem, problem zaczyna się pojawiać w sytuacji przedmiotów o niewielkich rozmiarach.

Ponieważ oko jest przyrządem optycznym dzi-łającym dzięki znajdującej się w nim soczewce, jak każde takie urządzenie ma ograniczoną zdolność rozdzielczą, czyli zdolność rozróżniania dwóch punktów położonych blisko siebie. Z tym mankamentem można sobie poradzić, używając na przykład lupy lub mikroskopu optycznego, które pozwalają widzieć obserwowane obiekty w powiększeniu i z lepszą zdolnością rozdzielczą niż w przypadku oka nieuzbrojonego.

Jest jednak pewna dolna granica poniżej której urządzenia optyczne stają się zupełnie bezużyteczne. Bez problemu obserwujemy światło odbite od przedmiotów których rozmiary są większe od długości fali światła lub światło przechodzące przez materiały choćby częściowo przezroczyste (np. cienkie próbki tkanek używane jako preparaty mikroskopowe). Do tego typu przypadków stosują się prawa optyki liniowej. Można również wykorzystać światło ulegające dyfrakcji i interferencji na obiektach, których rozmiary są porównywalne z długością fali świetlnej, a następnie na podstawie uzyskanych obrazów zrekonstruować ich budowę wewnętrzną. Nie jesteśmy jednak w stanie uzyskać obrazu optycznego obiektów o rozmiarach mniejszych niż długość fali świetlnej, takich jak cząsteczki czy pojedyncze atomy. Musimy w ich przypadku zastosować inne techniki.

1. Obraz układu punktów na płaszczyźnie widziany przez urządzenie
o niskiej zdolności rozdzielczej (lewa strona) oraz przez urządzenie
o wystarczająco wysokiej zdolności rozdzielczej (prawa strona)
przy tym samym powiększeniu

Odrobina historii

Pierwsze mikroskopy optyczne powstały pod koniec XVI wieku w Holandii, jednak ze względu na niewielkie powiększenie okazały się mało przydatne jako narzędzia badawcze. Dopiero w XVII wieku Antoni van Leeuwenhoek udoskonalił ich konstrukcję oraz uruchomił komercyjną produkcję tych urządzeń. Mikroskop optyczny według jego projektu pozwalał na obserwacje szerokiej grupy tkanek roślinnych i zwierzęcych oraz organizmów jednokomórkowych.

Kolejny przełom dokonał się w roku 1931, gdy został skonstruowany mikroskop elektronowy, pozwalający zastąpić światło widzialne wiązką rozpędzonych elektronów. Dzięki temu możliwa stała się obserwacja budowy drobnych organelli komórkowych, niedostępnych do badań wcześniejszymi metodami, jak również wewnętrznej struktury niektórych materiałów, na przykład półprzewodników.

W roku 1982 powstał pierwszy skaningowy mikroskop tunelowy, wykorzystujący zjawisko tunelowe w celu uzyskania obrazu powierzchni z rozdzielczością rzędu pojedynczego atomu. Niemniej zasada działania tego mikroskopu narzuca pewne ograniczenie: nie nadaje się on do obrazowania powierzchni izolatorów. Pomysł jako taki stał się inspiracją do skonstruowania w roku 1986 mikroskopu sił atomowych, który pozwala uzyskiwać obrazy z podobną rozdzielczością jak w przypadku skaningowego mikroskopu tunelowego. Mikroskopu sił atomowych działa jednak niezależnie od właściwości elektrycznych danego materiału.

Sprawdź swoją wiedzę
Mamy do dyspozycji wiązkę światła widzialnego o długości fali równej 680 nm. Wybierz z poniższej listy te obiekty, które zaobserwujemy wykorzystując posiadane źródło światła:

□ a) długopis o długości około 15 cm i średnicy około 1 cm;
□ b) wewnętrzna struktura kryształu dla którego odległość między atomami wynosi 0,3 nm;
□ c) struktura ścieżek o szerokości około 500-600 nm zapisanych na płycie CD;
□ d) wirusy o rozmiarach rzędu 50 nm.

Do każdego obiektu dopasuj odpowiednią technikę obserwacji: obserwacja w świetle odbitym, obserwacja w świetle przechodzącym, rekonstrukcja budowy na podstawie obrazu interferencyjnego.

Joanna Borgensztajn