«Поглянь на атоми, доторкнися до молекули»

Почав Трурль ловити атоми, зіскаблювати з них електрони, місити протони, так що лише пальці миготіли, приготував протонне тісто, виклав навколо нього електрони і — за наступний атом; не минуло й п’яти хвилин, як тримав він у руках бруківок чистого золота: подав його морді, вона ж, на зуб брусочок спробувавши і головою кивнувши, сказала:

— І справді золото, тільки я не можу так за атомами ганятися. —

Нічого, ми дамо тобі особливий апаратик! — вмовляв його Трурль.

Станіслав Лем, «Кіберіада»

Чи можна за допомогою мікроскопа розгледіти атом, відрізнити його від іншого атома, простежити за руйнуванням або утворенням хімічного зв’язку і побачити, як одна молекула перетворюється на іншу? Так, якщо це не простий мікроскоп, а атомно-силовий. А можна і не обмежуватися наглядом. Ми живемо в той час, коли атомно-силовий мікроскоп перестав бути просто вікном в мікромір. Сьогодні цей прилад можна використовувати для переміщення атомів, руйнування хімічних зв’язків, вивчення межі розтягнення одиночних молекул — і навіть для дослідження геному людини.

Літери з ксенонових пікселів

Розглянути атоми не завжди було так просто. Історія атомно-силового мікроскопа почалася в 1979 році, коли Герд Карл Бінніг і Генріх Рорер, які працювали в Дослідницькому центрі компанії IBM в Цюріху, приступили до створення приладу, який дозволив би вивчати поверхні з атомною роздільною здатністю. Щоб придумати такий пристрій, дослідники вирішили використовувати ефект тунельного переходу — здатність електронів долати, здавалося б, непрохідні бар’єри. Ідея полягала в тому, щоб, вимірюючи силу тунельного струму, що виникає між скануючим зондом і поверхнею, визначати положення атомів у зразку.

У Бінніга і Рорера вийшло, і вони увійшли в історію як винахідники скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), а в 1986 році отримали Нобелівську премію з фізики. Скануючий тунельний мікроскоп здійснив справжню революцію у фізиці та хімії.

Ріс. 1. Зображення, за допомогою якого компанія IBM привернула увагу до скануючого тунельного мікроскопу, — логотип компанії, викладений на нікелевій поверхні атомами ксенона

У 1990 році Дон Айглер і Ерхард Швайцер, які працювали в дослідницькому центрі IBM в Каліфорнії, показали, що СТМ можна застосовувати не тільки для спостереження за атомами, але для маніпулювання ними. За допомогою зонда скануючого тунельного мікроскопа вони створили, можливо, найпопулярніший образ, що символізує перехід хіміків до роботи з окремими атомами — намалювали на нікелевій поверхні три букви 35 атомами ксенона (рис. 1).

Бінніг не став шанувати на лаврах — в рік отримання Нобелівської премії спільно з Крістофером Гербером і Кельвіном Куейтом, які також працювали в Цюріхському дослідницькому центрі IBM він почав роботу над ще одним пристроєм для вивчення мікроміру, позбавленого недоліків, які притаманні СТМ. Справа в тому, що за допомогою скануючого тунельного мікроскопа не можна було вивчати діелектричні поверхні, а тільки провідники і напівпровідники, та й для аналізу останніх між ними і зондом мікроскопа потрібно було створити значне розріження. Зрозумівши, що створити новий пристрій простіше, ніж модернізувати існуючий, Бінніг, Гербер і Куейт винайшли атомно-силовий мікроскоп, або АСМ. Принцип його роботи кардинально інший: для отримання інформації про поверхню вимірюють не силу струму, що виникає між зондом мікроскопа і вивчається зразком, а значення виникають між ними сил тяжіння, тобто слабких нехімічних взаємодій — сил Ван-дер-Ваальса.

Перша робоча модель АСМ була влаштована порівняно просто. Дослідники переміщали над поверхнею зразка алмазний зонд, пов’язаний з гнучким мікромеханічним датчиком — кантилевером із золотої фольги (між зондом і атомом виникає тяжіння, кантилевер гнеться залежно від сили тяжіння і деформує п’єзоелектрик). Ступінь вигину кантилевера визначався за допомогою п’єзоелектричних датчиків — подібним чином канавки і гребені вінілової платівки перетворюються на аудіозапис. Конструкція атомно-силового мікроскопа дозволяла йому детектувати сили тяжіння до 10^-18 ньютон. Через рік після створення робочого прототипу дослідникам вдалося отримати зображення рельєфу поверхні графіту з роздільною здатністю в 2,5 ангстрема.

За три десятки років, що минули відтоді, АСМ використовували для вивчення практично будь-яких хімічних об’єктів — від поверхні керамічного матеріалу до живих клітин і окремих молекул, причому знаходяться як у статичному, так і динамічному стані. Атомно-силова мікроскопія стала робочою конячкою хіміків і матеріалознавців, а кількість робіт, в яких застосовується цей метод, постійно зростає (рис. 2).

Рис, 2. Динаміка збільшення кількості наукових публікацій, матеріал для яких отримали за допомогою атомно-силової мікроскопії

За ці роки дослідники підібрали умови і для контактного, і для безконтактного вивчення об’єктів за допомогою атомно-силової мікроскопії. Контактний метод описаний вище, він заснований на вандерваальсовій взаємодії між кантилевером і поверхнею. При роботі в безконтактному режимі п’єзовібратор збуджує коливання зонда на деякій частоті (найчастіше резонансній). Сила, що діє з боку поверхні, призводить до того, що і амплітуда, і фаза коливань зонда змінюються. Незважаючи на деякі недоліки безконтактного методу (в першу чергу чутливість до зовнішніх шумів), саме він виключає вплив зонда на досліджуваний об’єкт, а значить, цікавіше для хіміків.

Жваво за зондами, в погоню за зв’язками

Безконтактною атомно-силова мікроскопія стала в 1998 році завдяки роботам учня Бінніга — Франца Йозефа Гіссібла. Саме він запропонував використовувати як кантилевер кварцовий еталонний генератор стабільної частоти. Через 11 років дослідники з лабораторії IBM в Цюріху зробили ще одну модифікацію безконтактного АСМ: роль зонда-сенсора виконував не гострий кристал алмазу, а одна молекула — монооксид вуглецю. Це дозволяло перейти до субатомного дозволу, що і продемонстрував Лео Гросс з цюріхського відділу IBM. У 2009 році за допомогою АСМ він зробив видимими вже не атоми, а хімічні зв’язки, отримавши досить чітку і однозначно читану «картинку» для молекули пентацену (рис. 3; Science, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).

Рис, 3. Візуалізація молекули пентацену, що знаходиться на підкладці з міді, за допомогою скануючого тунельного мікроскопа (а) і атомно-силового мікроскопа (б). Видно, що перехід від одного пристрою до іншого значно збільшує роздільну здатність

Переконавшись, що за допомогою АСМ можна побачити хімічний зв’язок, Лео Гросс вирішив піти далі і застосувати атомно-силовий мікроскоп для вимірювання довжин і порядків зв’язків — ключових параметрів для розуміння хімічної структури, а отже, і властивостей речовин.

Нагадаємо, що відмінність у порядках зв’язків вказує на різні значення електронної щільності і різні міжатомні відстані між двома атомами (кажучи простіше, подвійний зв’язок коротший за одинарний). В етані порядок зв’язку вуглець-вуглець дорівнює одиниці, в етилені — двом, а в класичній ароматичній молекулі — бензолі — порядок зв’язку вуглець-вуглець більше одиниці, але менше двох, і вважається рівним 1,5.

Визначити порядок зв’язку набагато складніше при переході від простих ароматичних систем до плоских або об’ємних поліконденсованих циклічних систем. Так, порядок зв’язків у фуллеренах, що складаються з конденсованих п’яти- і шестиченних вуглецевих циклів, може приймати будь-яке значення від одиниці до двох. Та ж сама невизначеність теоретично притаманна і поліциклічним ароматичним сполукам.

Рис, 4. Структури молекули гексабензакоронена (а) і псевдозображення гексабензокоронена, локалізованого на мідній поверхні (б), отримані за допомогою атомно-силової мікроскопії. Буква i означає зв’язок С — С центрального кільця, а j — зв’язок, що з’єднує центральне кільце з периферійними

У 2012 році Лео Гросс спільно з Фабіаном Моном показав, що атомно-силовий мікроскоп з металевим безконтактним зондом, модифікованим монооксидом вуглецю, може вимірювати відмінності в розподілі зарядів у атомів і міжатомні відстані — тобто параметри, асоційовані з порядком зв’язку (Science, 2012, 337, 6100, 1326-1329, doi: 10.1126/science.1225621).

Для цього вони вивчили два типи хімічних зв’язків у фулерені — зв’язок вуглець-вуглець, загальний для двох шестиченних вуглецевих циклів фуллерену S₆₀, і зв’язок вуглець-вуглець, загальний для п’яти- і шестиченного циклів. Атомно-силовий мікроскоп показав, що при конденсації шестиченних циклів утворюється зв’язок більш короткий і з більшим порядком, ніж при конденсації циклічних фрагментів C₆ і C₅. Вивчення ж особливостей хімічного зв’язування в гексабензокоронені, де навколо центрального циклу C₆ симетрично розташовано ще шість циклів C₆, підтвердило результати квантово-хімічного моделювання, згідно з якими порядок зв’язків С — С центрального кільця (на рис. 4 буква i) повинен бути більше, ніж у зв’язків, що об’єднують це кільце з периферійними циклами (на рис. 4 буква j). Подібні результати отримали і для більш складного поліциклічного ароматичного вуглеводню, що містить дев’ять шестиченних циклів.

Порядки зв’язків і міжатомні відстані, звичайно ж, цікавили хіміків-органіків, але важливіше це було тим, хто займався теорією хімічного зв’язку, передбаченням реакційної здатності і вивченням механізмів хімічних реакцій. Тим не менш і хіміків-синтетиків, і фахівців з вивчення структури природних сполук чекав сюрприз: виявилося, що атомно-силовий мікроскоп можна застосовувати для встановлення структури молекул точно так само, як ЯМР або ІК-спектроскопію. Більш того, він дає однозначну відповідь на питання, з якими ці методи не в змозі впоратися.

Від фотографії до кінематографа

У 2010 році все той же Лео Гросс і Райнер Ебел змогли однозначно встановити будову природного з’єднання — цефаландолу А, виділеного з бактерії Dermacoccus abyssi (Nature Chemistry, 2010, 2, 821-825, doi: 10.1038/nchem.765). Склад цефаландолу А встановили раніше за допомогою мас-спектрометрії, проте аналіз спектрів ЯМР цієї сполуки не давав однозначної відповіді на питання про його структуру: можливі були чотири варіанти. За допомогою атомно-силового мікроскопа дослідники відразу ж виключили дві з чотирьох структур, а з двох решти правильний вибір зробили, порівнявши результати, отримані завдяки АСМ і квантово-хімічному моделюванню. Завдання виявилося непростим: на відміну від пентацену, фуллерену і короненів, до складу цефаландолу А входять не тільки атоми вуглецю і водню, крім того, у цієї молекули немає площини симетрії (рис. 5) — але і таке завдання вдалося вирішити.

Рис, 5. Зліва — структура цефаландолу А, яку вдалося визначити за допомогою АСМ. Праворуч — візуалізація результатів дослідження природного з’єднання за допомогою атомно-силової мікроскопії

Ще одне підтвердження того, що атомно-силовий мікроскоп можна використовувати як аналітичний інструмент, отримали в групі Оскара Кустанця, який тоді працював в інженерній школі Університету Осаки. Він показав, як за допомогою АСМ розрізнити атоми, що відрізняються один від одного набагато менше, ніж вуглець і водень (Nature, 2007, 446, 64-67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц досліджував поверхню сплаву, що складається з кремнію, олова і свинцю з відомим вмістом кожного елемента. У результаті численних експериментів він з’ясував, що сила, що виникає між вістрям зонда АСМ і різними атомами, розрізняється (рис. 6). Так, наприклад, найсильніша взаємодія спостерігалася при зондуванні кремнію, а найслабша — при зондуванні свинцю.

Рис. 6. Сила взаємодії зонда АСМ з різними атомами (а) і результати дослідження поверхні, що містить різнорідні атоми (б, в)

Передбачається, що надалі результати атомно-силової мікроскопії для розпізнавання окремих атомів будуть оброблятися так само, як результати ЯМР, — порівняно відносних величин. Оскільки точний склад голки датчика важко контролювати, абсолютне значення сили між датчиком і різними атомами поверхні залежить від умов експерименту і марки пристрою, а ось ставлення цих сил при будь-якому складі і формі датчика залишається постійним для кожного хімічного елемента.

У 2013 році з’явилися перші приклади використання АСМ для отримання зображень окремих молекул до і після хімічних реакцій: створюється «фотосет» з продуктів і напівпродуктів реакції, який потім можна змонтувати свого роду документальний фільм (Science, 2013, 340, 6139, 1434-1437; doi: 10.1126/science.1238187).

Фелікс Фішер і Майкл Кроммі з Університету Каліфорнії в Берклі нанесли на поверхню срібла 1,2-біс [(2-етинілфеніл) етикул] бензол, отримали зображення молекул і нагріли поверхню, щоб ініціювати циклізацію. Половина вихідних молекул перетворилася на поліциклічні ароматичні структури, що складаються з конденсованих п’яти шестиченних і двох п’ятичених циклів. Ще чверть молекул утворила структури, що складаються з чотирьох шестиченних циклів, пов’язаних через один чотиричений цикл, і двох п’ятичених циклів (рис. 7). Іншими продуктами були олігомірні структури і, в незначній кількості, поліциклічні ізомери.

Рис, 7. Вивчення хімічної реакції (вихідна речовина — 1,2-біс [(2-етинілфеніл) етикул] бензол і продукти показані в нижньому ряду) за допомогою скануючого тунельного (верхній ряд зображень) і атомно-силового (середній ряд зображень) мікроскопів

Такі результати двічі здивували дослідників. По-перше, в ході реакції утворилося всього лише два головних продукти. По-друге, подив викликала їх структура. Фішер зазначає, що хімічна інтуїція і досвід дозволяли намалювати десятки можливих продуктів реакції, проте жоден з них не відповідав тим сполукам, які утворювалися на поверхні. Можливо, протіканню нетипових хімічних процесів сприяла взаємодія вихідних речовин з підкладкою.

Природно, що після перших серйозних успіхів у вивченні хімічних зв’язків деякі дослідники вирішили застосувати АСМ для спостереження більш слабких і менш вивчених міжмолекулярних взаємодій, зокрема водневого зв’язку. Однак у цій галузі роботи ще тільки починаються, а результати їх суперечливі. Так, в одних публікаціях повідомляється, що атомно-силова мікроскопія дозволила спостерігати водневий зв’язок (Science, 2013, 342, 6158, 611-614, doi: 10.1126/science.1242603), в інших стверджують, що це всього лише артефакти, обумовлені конструкційними особливостями приладу, а експериментальні результати потрібно інтерпретувати акуратніше (Physical Review Letters, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Можливо, остаточну відповідь на питання, чи можна спостерігати водневі та інші міжмолекулярні взаємодії за допомогою атомно-силової мікроскопії, буде отримано вже в цьому десятилітті. Для цього необхідно ще хоча б у кілька разів підвищити дозвіл АСМ і навчитися отримувати зображення без перешкод (Physical Review B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).

Синтез однієї молекули

У вмілих руках і СТМ і АСМ перетворюються з приладів, здатних вивчати речовину, на прилади, здатні спрямовано змінювати будову речовини. За допомогою цих пристроїв вже вдалося отримати «найменші хімічні лабораторії», в яких замість колби використовується підкладка, а замість молей або мілімолей реагуючих речовин — окремі молекули.

Наприклад, у 2016 році міжнародна група вчених на чолі з Такасі Кумагаї використовувала безконтактну атомно-силову мікроскопію для переведення молекули порфіцену з однієї її форми в іншу (Nature Chemistry, 2016, 8, 935-940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфіцен можна розглядати як модифікацію порфірину, у внутрішньому циклі якого міститься чотири атома азоту і два атоми водню. Коливання зонда АСМ передавали молекулі порфіцену достатньо енергії для перенесення цих воднів від одних атомів азоту до інших, і в результаті виходило «дзеркальне відображення» цієї молекули (рис. 8).

Рис, 8. За допомогою скануючого тунельного мікроскопа вдалося перетворити одну таутомерну форму порфіцену в іншу

Група під керівництвом невтомного Лео Гросса також показала, що можливо ініціювати реакцію окремо взятої молекули, — вони перетворили дибромантрацен на десятковий циклічний діїн (рис. 9; Nature Chemistry, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). На відміну від Кумагаї зі співавторами, вони використовували скануючий тунельний мікроскоп для активації молекули, а за результатом реакції стежили за допомогою атомно-силового мікроскопа.

Рис. 9. Отримані за допомогою АСМ (нижній ряд) зображення продуктів зворотної реакції, запущеної за допомогою СТМ

Комбіноване застосування скануючого тунельного мікроскопа і атомно-силового мікроскопа дозволило навіть отримати молекулу, яку неможливо синтезувати за допомогою класичних прийомів і методів (Nature Nanotechnology, 2017, 12, 308-311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Це тріангулен — нестабільний ароматичний бірадикал, існування якого було передбачене шість десятиліть тому, але всі спроби синтезу були невдалими (рис. 10). Хіміки з групи Ніко Павлічека отримали шукане з’єднання, відірвавши від його прекурсора два атоми водню за допомогою СТМ і підтвердивши синтетичний результат за допомогою АСМ.

Рис, 10. Молекула тріангулена (структура показана праворуч) під атомно-силовим мікроскопом

Передбачається, що кількість робіт, присвячених застосуванню атомно-силової мікроскопії в органічній хімії, ще зростатиме. В даний час все більше вчених намагаються повторити на поверхні реакції, добре знайомі «розчинної хімії». Але, можливо, хіміки-синтетики почнуть відтворювати в розчині ті реакції, які були спочатку здійснені на поверхні за допомогою АСМ.

Від неживого — до живого

Кантилевери і зонди атомно-силових мікроскопів можна застосовувати не тільки для аналітичних досліджень або синтезу екзотичних молекул, але і для вирішення прикладних завдань. Вже відомі випадки використання АСМ в медицині, наприклад для ранньої діагностики раку, і тут піонером виступає той самий Крістофер Гербер, який доклав руку до розробки принципу атомно-силової мікроскопії і створення АСМ.

Так, Герберу вдалося навчити АСМ визначати точкову мутацію рибонуклеїнової кислоти при меланомі (на матеріалі, отриманому в результаті біопсії). Для цього золотий кантилевер атомно-силового мікроскопа модифікували олігонуклеотидами, які можуть вступати в міжмолекулярну взаємодію з РНК, а силу цієї взаємодії все також можна виміряти за рахунок п’єзоефекту. Чутливість сенсора АСМ настільки велика, що його вже намагаються застосувати для вивчення ефективності популярного методу редагування геномів CRISPR-Cas9. Тут воєдино об’єднуються технології, створені різними поколіннями дослідників.

Перефразовуючи класика однієї з політичних теорій, можна сказати, що ми вже зараз бачимо безмежні можливості і невичерпність атомно-силової мікроскопії і навряд чи в силах уявити, що чекає нас попереду у зв’язку з подальшим розвитком цих технологій. Але вже сьогодні скануючий тунельний мікроскоп і атомно-силовий мікроскоп дають нам можливість побачити атоми і доторкнутися до них. Можна сказати, що це не тільки продовження наших очей, що дозволяє зазирнути в мікрокосм атомів і молекул, а й нові очі, нові пальці, здатні доторкнутися до цього мікрокосму і керувати ним.