Aceasta este cea mai bună fotografie cu atomi

Folosind telescoape avansate, oamenii de știință au reușit să observe lumina emisă de galaxii aflate la 13,5 miliarde de ani-lumină distanță, precum galaxia JADES-GS-z14-0. Dar dacă putem vedea atât de departe în trecutul Universului, de ce ne este atât de dificil să privim în cealaltă direcție, către cele mai mici scări? De ce nu putem folosi lentile pentru a observa atomii? Iată cea mai bună fotografie cu atomi!

Răspunsul scurt este: nu vom putea vedea niciodată atomii folosind lumina vizibilă, pur și simplu pentru că lungimea de undă a luminii vizibile (aproximativ 400-700 nanometri) este mult mai mare decât dimensiunea unui atom (aproximativ 0,1-0,3 nanometri).

• Un experiment pare să confirme un efect prezis acum 66 de ani
• Ce urăsc cel mai mult bărbații la femei (și invers)? Iată ce spune știința!

Este ca și cum ai încerca să afișezi un obiect mai mic decât un pixel pe ecranul unui computer.

De ce este atât de greu să fotografiezi atomi?

„Nu va fi niciodată posibil să vedem atomi sau molecule folosind lumina vizibilă, indiferent de puterea microscopului. Pentru a vedea un obiect, dimensiunea acestuia trebuie să fie cel puțin jumătate din lungimea de undă a luminii utilizate pentru observație. Însă lungimea de undă a luminii vizibile, deși mică, este mult mai mare decât un atom, ceea ce îl face invizibil. Pe de altă parte, razele X au o lungime de undă suficient de mică pentru a permite ‘vizualizarea’ atomilor”, explică Universitatea Purdue (SUA).

Razele X au o lungime de undă de aproximativ 0,01-10 nanometri, ceea ce le face utile în imagistica atomică.

„Când razele X lovesc o moleculă cristalizată, electronii din jurul fiecărui atom difractă fasciculul de raze X, formând un model caracteristic la ieșire, un model de difracție cu raze X. Cristalele sunt utilizate deoarece modelul de difracție al unei singure molecule ar putea fi nesemnificativ, dar numeroase molecule identice dintr-un cristal amplifică acest model”, continuă Universitatea Purdue.

Utilizând această metodă și îmbunătățind tehnicile, oamenii de știință au reușit să creeze imagini chiar și ale unor atomi individuali. Electronii, fiind suficient de mici, sunt și ei folosiți pentru a vizualiza atomi și molecule în microscoape electronice. Însă dimensiunea nu este singurul aspect important, electronii au și o proprietate unică: comportamentul dual de undă-particulă.

„Dualitatea undă-particulă a electronilor stă la baza microscopiei electronice. Tratarea electronilor ca unde permite utilizarea lungimilor lor de undă scurte pentru a crea imagini detaliate ale atomilor. Această dualitate explică și de ce fasciculele de electroni sunt atât de eficiente în imagistica de înaltă rezoluție”, explică Electron Beam Machine.

Cea mai bună fotografie cu atomi a fost realizată în 2021

Oamenii de știință trimit fascicule de electroni spre un eșantion la viteze mari și detectează unde ajung acești electroni sau razele rezultate din interacțiunea lor cu atomii.

„Pe măsură ce fasciculul trece printr-un eșantion sau scanează suprafața acestuia, electronii interacționează cu atomii în diferite moduri. Aceste interacțiuni generează semnale, precum electroni împrăștiați sau raze X emise, pe care cercetătorii le folosesc pentru a construi imagini. Fasciculul de electroni ‘iluminează’ structura atomică, permițând observarea unor caracteristici invizibile cu ochiul liber”, continuă Electron Beam Machine.

În ultimii ani, cercetătorii de la Universitatea Cornell (SUA) au combinat scanarea electronică cu „ptychografie”, o tehnică ce analizează modele suprapuse de împrăștiere a razelor, pentru a produce cea mai bună fotografie cu atomi. Imaginea, capturată în 2021, prezenta structura unui cristal de ortoscandat de praseodim (PrScO₃) mărită de 100 de milioane de ori.

Cea mai bună fotografie cu atomi nu va putea fi depășită cu tehnologia actuală

Deși această realizare este impresionantă, nu este sigur că vom putea obține imagini de o rezoluție mai mare în viitor.

„Acest rezultat nu doar stabilește un nou record. Atinge un regim care reprezintă, efectiv, o limită supremă a rezoluției. Practic, putem determina poziția atomilor într-un mod foarte simplu. Acest lucru deschide o serie de noi posibilități pentru măsurători pe care le dorim de multă vreme. Totodată, rezolvă o problemă veche, eliminarea efectului de împrăștiere multiplă a fasciculului în eșantion, problemă enunțată de Hans Bethe în 1928 și care ne-a împiedicat să facem acest lucru până acum”, a explicat David Muller, profesor de inginerie la Cornell.

Există particule mai mici decât electronii, dar acestea nu pot fi utilizate pentru imagistică. De exemplu, neutrinii interacționează doar prin forța nucleară slabă și gravitație, ceea ce face detectarea lor extrem de dificilă, cu atât mai puțin utilizarea lor pentru a fotografia structuri la scară atomică.

Dacă vrem să vedem structuri și mai mici, oamenii de știință vor trebui să descopere tehnici de imagistică complet noi. În caz contrar, este posibil ca deja să fi atins limita maximă a rezoluției cu care putem observa materia la scară atomică.

Vă recomandăm să citiți și:

O nouă moleculă, creată de Inteligența Artificială, ar fi avut nevoie de 500 de milioane de ani pentru a evolua în natură

Ce sunete scot virusurile?

Un laser ultraviolet puternic dezvăluie modul în care particulele se mișcă prin diamante

„Soarele artificial” a depășit 1.000 de secunde într-un nou record de fuziune