在化学系列的第一个新的未来我们掌握机会,单个原子提供了化学家的精确位置
“现在看到原子很容易”,讲话Christoph嘉宝成功的原子力显微镜(AFM)——一个工具,允许科学家几十年来凝视原子结构。但这些显微镜迅速成为世界到窗,现在研究人员利用AFM打破分子键,探测未知的化学前沿,甚至探索人类基因组。
它并不总是很容易看到原子,然而。早在1979年,Gerd Binnig和Heinrich Rohrer,同时基于IBM在瑞士苏黎世实验室,正试图查看表面原子尺度精确。两人开始玩弄一个奇怪的量子效应称为隧道效应,电子可以通过看似令人费解的壁垒。如果他们能捕捉这个电流扫描金属尖端和表面之间的团队意识到当前的会放弃原子的位置和他们可以公布一项空前的世界。
有很多希望,一个能做什么与AFM和一些希望凶残地牵强,其他人则更为现实
弗朗茨Giessibl,雷根斯堡大学
到1986年,Binnig和Rohrer被授予诺贝尔物理学奖为他们后来的发明——扫描隧道显微镜(STM)。仪器彻底改变了现代物理学,允许研究人员绘制金和硅的表面以前所未有的精度。另一个IBM研究员,(Don Eigler,甚至会继续写出他的公司的标志在个别氙原子STM在1991年。
说,这是一个野生的时间弗朗茨Giessibl德国雷根斯堡大学的物理学家,和尼格的一个博士生。的希望有很多人能做什么和一些希望凶残地牵强——其他人则更为现实。
一个新的槽
但是有一个症结,STM图像不能导电表面,或任何表面真空。为了解决这个问题,尼格,格柏和卡尔文Quate来自美国斯坦福大学,只是发明了另一个显微镜同年他赢得了诺贝尔奖。但这一措施提示和表面之间的力,而不是现在。
扫描探针技术提供一个新的视角在有机化学回答一些长期存在的问题
迭戈·佩纳圣地亚哥德孔波斯特拉大学
球队搬到钻石,粘金箔悬臂,在样品和测量通过压电悬臂梁的挠度译者——就像一根针槽后在一个黑胶唱片。这种新仪器,AFM,能够探测部队10一样小-18年联合国在一年之内,IBM团队可以形象石墨表面2.5埃。
在过去的30年里,AFM被用来探测从自动解决陶瓷表面单个分子和细胞。这一切都将不可能被那些早期的图像捕捉社会的想象,根据格柏:“它有发达感谢所有这些人开始使用它——那些真的很好奇为了进一步开发它。”
多年来,许多研究人员隔热AFM,寻找新的机会来探测物质在原子分辨率使用其“非接触性”(nc)模式。在此设置,提示在高速振荡和研究人员可以衡量其共振频率抑制了在表面移动时获得原子分辨率的图像。
Giessibl调整这个成立于1998年。新悬臂由石英晶体音叉和现在一样无处不在的电子手表是来自。十年过去了,另一组在IBM苏黎世实验室functionalised这个传感器一氧化碳的小费和用它来图像中的单个债券并五苯分子。这个functionalisation使得尖锐AFM和更大的亚原子决议。
其他人已经利用这种自由测量弱分子看似惰性分子之间的相互作用。恩斯特梅尔和他的同事们从巴塞尔大学有保税单个氙原子,而不是一个一氧化碳分子,AFM小费。
通过附加一个氙气,氩和氪原子内有机框架,将尖端附近,团队可以测量两个高贵的原子之间的吸引力。正如所料,AFM可以检测小范德华相互作用。但研究表明,吸引不能单靠范德华力来解释。
AFM在化学中的作用目前集中在这一原则的债券成像。早在2012年,利奥(gdp)和他的同事们在IBM苏黎世实验室成功地与C中的碳碳键的顺序60巴克敏斯特富勒烯AFM悬臂上的力。允许团队的联系相关债券订单个人债券的亮度图像。
有机食品的发展
的扫描探针技术提供一个新的视角来回答一些长期存在的问题在有机化学中,”评论迭戈佩纳圣地亚哥德孔波斯特拉大学的西班牙和毛的亲密的同事之一。
AFM没有化学家提供一个新的角度,然而;这是使他们能够建立一个在纳米化学实验室。隆Kumagai弗里茨·哈伯(德国研究所的德国马克斯普朗克社会和他的同事们使用了一种nc-AFM切换porphycene分子成它的镜像的形式。porphycene分子修饰卟啉,四个中心氮原子和两个氢原子。AFM的振荡提供足够的能量来翻转这些氢原子的位置,将porphycene转换为其同分异构体之一。
今年早些时候,毛重和佩纳的团队也能诱发反应在一个分子。但是而不是依赖一个AFM图像刺激和反应,用STM和AFM。用STM的电压脉冲,该集团改变了一个dibromoanthracene分子成10 diyne戒指。这是见证了所有的AFM。
化学家们甚至用STM和AFM的组合产生一个分子躲避传统合成技术。Triangulene是一种高度不稳定的双游离基芳香的存在理论上认为在60年前但一直无法合成。妮可Pavliček在瑞士苏黎世的团队来自IBM的研究,和华威大学,英国能够创建triangulene通过删除两个氢原子从前体分子。
在未来,AFM必将化学家新的机会学习有机中间体和不稳定的分子,根据岩石。到目前为止大多数组织表面繁殖关键化学反应,在溶液中是众所周知的,”他补充道。然而,在未来我将预计也反过来:首先将发现一个新的反应nc-AFM然后将利用溶液中的化学。”
跟踪的医疗记录
卑微的悬臂的当前使用远远超过有机化学。医学研究人员正在利用其电力检测癌症的早期发病,戈贝尔再次引领。“你现在可以实时观察生物学,”肯定嘉宝,谁赢了今年的卡夫奖以及尼格和Quate纳米科学的贡献。
现在在瑞士巴塞尔大学,嘉宝集团最近作出了一系列AFM悬臂梁,可以接一个单点突变RNA从黑色素瘤活检。取消钻石建议30年前他煞费苦心,嘉宝已经functionalised他与寡核苷酸的黄金悬臂梁。这些小RNA序列将与传入的活检RNA和杂交诱导悬臂上的可观的力量。
AFM生物传感器是如此敏感,现在用它来形容流行的基因编辑工具的效力,Crispr-Cas9。这是一个非凡的技术改造,最初是30年前用一块碎唱机笔和一个小的金箔。
”我就不会想当我们开始我们所得到的,”言论嘉宝。如此巨大的飞跃的发展很难预测AFM的未来,但是嘉宝公司坚持将仍然是一个主要的研究。
有一件事是肯定的- AFM是否应用于临床或实验室,在这里留下来。我们没有感觉,让我们直接进入世界的原子,它们只是太小,“Giessibl说。STM和AFM,他们是我们的长手指,我们扩展的眼睛生活在那个世界,真正参与这个世界的原子,我认为他们会留下来。”
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