ภาพถ่ายอะตอมในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน อะตอม

มาลองกัน. ฉันไม่คิดว่าทุกอย่างที่เขียนด้านล่างนี้เป็นความจริงทั้งหมด และฉันอาจพลาดบางสิ่งบางอย่างไปก็ได้ แต่การวิเคราะห์คำตอบที่มีอยู่สำหรับคำถามที่คล้ายกันและความคิดของฉันเองเรียงเป็นแนวดังนี้:

ใช้อะตอมไฮโดรเจน: โปรตอนหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัวในวงโคจรของมัน

รัศมีของอะตอมไฮโดรเจนเป็นเพียงรัศมีของวงโคจรของอิเล็กตรอน โดยธรรมชาติแล้วจะเท่ากับ 53 พิโคเมตร นั่นคือ 53 × 10^-12 เมตร แต่เราต้องการเพิ่มเป็น 30 × 10^-2 เมตร - ประมาณ 5 พันล้านครั้ง

เส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน (นั่นคือ นิวเคลียสอะตอมของเรา) คือ 1.75×10^−15 ม. หากคุณเพิ่มให้ได้ขนาดที่ต้องการ มันจะมีขนาด 1×10^−5 เมตร นั่นคือ หนึ่งในร้อยของ มิลลิเมตร มันแยกไม่ออกด้วยตาเปล่า

เรามาเพิ่มโปรตอนให้มีขนาดเท่าถั่วกันดีกว่า วงโคจรของอิเล็กตรอนจะเป็นรัศมีของสนามฟุตบอล

โปรตอนจะเป็นบริเวณที่มีประจุบวก ประกอบด้วยควาร์กสามตัว ซึ่งเล็กกว่ามันประมาณพันเท่า - เราจะไม่เห็นพวกมันแน่นอน มีความเห็นว่าหากวัตถุสมมุตินี้โรยด้วยชิปแม่เหล็ก มันจะรวมตัวกันรอบศูนย์กลางเป็นเมฆทรงกลม

อิเล็กตรอนจะมองไม่เห็น ไม่มีลูกบอลใดบินไปรอบนิวเคลียสของอะตอม "วงโคจร" ของอิเล็กตรอนเป็นเพียงบริเวณที่จุดต่าง ๆ ที่อิเล็กตรอนสามารถอยู่ได้โดยมีความน่าจะเป็นต่างกัน คุณสามารถจินตนาการว่านี่เป็นทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของสนามกีฬารอบถั่วของเรา ที่จุดสุ่มภายในทรงกลมนี้ ประจุไฟฟ้าลบจะปรากฏขึ้นและหายไปทันที ยิ่งกว่านั้น มันทำได้เร็วมากจนแม้แต่ในช่วงเวลาเดียวก็ไม่มีเหตุผลที่จะพูดถึงตำแหน่งเฉพาะของมัน ... ใช่ มันเข้าใจยาก พูดง่ายๆ คือ ไม่ได้ "ดู" เลย

ที่น่าสนใจคือโดยการเพิ่มอะตอมให้เป็นขนาดมหภาค เราหวังว่าจะ "เห็น" สิ่งนั้น นั่นคือเพื่อตรวจจับแสงที่สะท้อนจากมัน อันที่จริง อะตอมขนาดปกติไม่สะท้อนแสง ในระดับอะตอม เรากำลังพูดถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอน อิเล็กตรอนสามารถดูดซับโฟตอนและเคลื่อนที่ไปยังระดับพลังงานถัดไป มันสามารถปล่อยโฟตอน เป็นต้น ด้วยระบบนี้ขยายขนาดตามสมมุติฐานให้เท่ากับสนามฟุตบอล จำเป็นต้องมีสมมติฐานมากเกินไปในการทำนายพฤติกรรมของโครงสร้างที่เป็นไปไม่ได้นี้: โฟตอนจะมีผลเช่นเดียวกันกับอะตอมยักษ์หรือไม่? จำเป็นต้อง "ดู" โดยการทิ้งระเบิดด้วยโฟตอนยักษ์พิเศษหรือไม่? มันจะปล่อยโฟตอนยักษ์ออกมาหรือไม่? คำถามเหล่านี้พูดอย่างเคร่งครัดไม่มีความหมาย อย่างไรก็ตาม ฉันคิดว่าปลอดภัยที่จะบอกว่าอะตอมไม่สะท้อนแสงในแบบที่ลูกบอลโลหะจะสะท้อนแสง

อย่างที่คุณทราบ ทุกสิ่งในจักรวาลประกอบด้วยอะตอม อะตอมเป็นหน่วยของสสารที่เล็กที่สุดที่มีคุณสมบัติ ในทางกลับกัน โครงสร้างของอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีมนต์ขลังทรินิตี้: โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน

ยิ่งกว่านั้นอนุภาคขนาดเล็กแต่ละตัวยังเป็นสากล นั่นคือคุณไม่สามารถหาโปรตอน นิวตรอนหรืออิเล็กตรอนสองชนิดที่แตกต่างกันได้ในโลกนี้ พวกเขาทั้งหมดมีความคล้ายคลึงกันอย่างแน่นอน และคุณสมบัติของอะตอมจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเชิงปริมาณของอนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้ในโครงสร้างทั่วไปของอะตอมเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น โครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจนประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ถัดไปในความซับซ้อน อะตอมของฮีเลียมประกอบด้วยโปรตอนสองตัว นิวตรอน 2 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว อะตอมลิเธียมประกอบด้วยโปรตอน 3 ตัว นิวตรอน 4 ตัว และอิเล็กตรอน 3 ตัว เป็นต้น

โครงสร้างของอะตอม (จากซ้ายไปขวา): ไฮโดรเจน ฮีเลียม ลิเธียม

อะตอมรวมกันเป็นโมเลกุล และโมเลกุลรวมกันเป็นสาร แร่ธาตุ และสิ่งมีชีวิต โมเลกุล DNA ซึ่งเป็นพื้นฐานของทุกชีวิต เป็นโครงสร้างที่ประกอบขึ้นจากหน่วยการสร้างเวทย์มนตร์สามชุดของจักรวาลเช่นเดียวกับหินที่วางอยู่บนถนน แม้ว่าโครงสร้างนี้จะซับซ้อนกว่ามาก

ข้อเท็จจริงที่น่าอัศจรรย์ยิ่งกว่านั้นถูกเปิดเผยเมื่อเราพยายามพิจารณาสัดส่วนและโครงสร้างของระบบอะตอมอย่างละเอียด เป็นที่ทราบกันดีว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ไปตามวิถีที่อธิบายทรงกลม นั่นคือไม่สามารถเรียกได้ว่าเป็นการเคลื่อนไหวตามความหมายปกติของคำ อิเล็กตรอนจะตั้งอยู่ทุกหนทุกแห่งและในทันทีภายในทรงกลมนี้ ทำให้เกิดเมฆอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสและก่อตัวเป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

แผนผังแสดงโครงสร้างของอะตอม

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน และมวลเกือบทั้งหมดของระบบกระจุกตัวอยู่ในนั้น แต่ในขณะเดียวกัน นิวเคลียสเองก็มีขนาดเล็กมากจนหากคุณเพิ่มรัศมีเป็น 1 ซม. รัศมีของโครงสร้างทั้งหมดของอะตอมก็จะสูงถึงหลายร้อยเมตร ดังนั้นทุกสิ่งที่เรามองว่าเป็นสสารหนาแน่นประกอบด้วยมากกว่า 99% ของการเชื่อมต่อพลังงานระหว่างอนุภาคทางกายภาพเพียงอย่างเดียวและน้อยกว่า 1% ของรูปแบบทางกายภาพเอง

แต่รูปแบบทางกายภาพเหล่านี้คืออะไร? ทำมาจากอะไร และใช้วัสดุอย่างไร? เพื่อตอบคำถามเหล่านี้ เรามาดูรายละเอียดโครงสร้างของโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนกันดีกว่า ดังนั้นเราจึงลงไปอีกขั้นหนึ่งสู่ส่วนลึกของพิภพเล็ก - ถึงระดับของอนุภาคย่อยของอะตอม

อิเล็กตรอนทำมาจากอะไร?

อนุภาคที่เล็กที่สุดของอะตอมคืออิเล็กตรอน อิเล็กตรอนมีมวลแต่ไม่มีปริมาตร ในมุมมองทางวิทยาศาสตร์ อิเล็กตรอนไม่ได้ประกอบด้วยสิ่งใด แต่เป็นจุดที่ไม่มีโครงสร้าง

ไม่เห็นอิเล็กตรอนภายใต้กล้องจุลทรรศน์ สังเกตได้เฉพาะในรูปของเมฆอิเล็กตรอนซึ่งดูเหมือนทรงกลมคลุมเครือรอบนิวเคลียสของอะตอม ในเวลาเดียวกัน เป็นไปไม่ได้ที่จะพูดอย่างแม่นยำว่าอิเล็กตรอนอยู่ที่ไหนในช่วงเวลาหนึ่ง อุปกรณ์ไม่สามารถจับอนุภาคได้ แต่สามารถติดตามพลังงานได้เท่านั้น สาระสำคัญของอิเล็กตรอนไม่ได้ฝังอยู่ในแนวคิดเรื่องสสาร ค่อนข้างจะเหมือนรูปว่างเปล่าที่มีอยู่เฉพาะในและโดยการเคลื่อนไหวเท่านั้น

ยังไม่พบโครงสร้างในอิเล็กตรอน เป็นอนุภาคจุดเดียวกับควอนตัมของพลังงาน ในความเป็นจริง อิเล็กตรอนคือพลังงาน อย่างไรก็ตาม นี่เป็นรูปแบบที่เสถียรกว่าอิเล็กตรอนที่แสดงโดยโฟตอนของแสง

ในขณะนี้ถือว่าอิเล็กตรอนไม่สามารถแบ่งแยกได้ เป็นเรื่องที่เข้าใจได้เพราะไม่สามารถแบ่งสิ่งที่ไม่มีปริมาตรได้ อย่างไรก็ตาม มีการพัฒนาอยู่แล้วในทฤษฎี โดยที่องค์ประกอบของอิเล็กตรอนประกอบด้วยไตรลักษณ์ของ quasiparticles เช่น:

• Orbiton - มีข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งวงโคจรของอิเล็กตรอน
• Spinon - รับผิดชอบการหมุนหรือแรงบิด
• Holon - นำข้อมูลเกี่ยวกับประจุของอิเล็กตรอน

อย่างไรก็ตาม อย่างที่เราเห็น อนุภาคกึ่งไม่มีสิ่งใดที่เหมือนกันกับสสารเลย และมีเพียงข้อมูลเท่านั้น

ภาพถ่ายอะตอมของสารต่าง ๆ ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

ที่น่าสนใจคือ อิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงานควอนตัม เช่น แสงหรือความร้อน ในกรณีนี้ อะตอมจะเคลื่อนไปสู่ระดับพลังงานใหม่และขอบเขตของเมฆอิเล็กตรอนจะขยายตัว นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นที่พลังงานที่อิเล็กตรอนดูดกลืนได้มากจนสามารถกระโดดออกจากระบบอะตอมและเคลื่อนที่ต่อไปได้เป็นอนุภาคอิสระ ในขณะเดียวกันก็มีพฤติกรรมเหมือนโฟตอนของแสง กล่าวคือ ดูเหมือนว่าจะหยุดเป็นอนุภาคและเริ่มแสดงคุณสมบัติของคลื่น สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วในการทดลอง

การทดลองของหนุ่ม

ในระหว่างการทดลอง กระแสของอิเล็กตรอนถูกส่งตรงไปยังหน้าจอโดยมีรอยกรีดสองช่อง เมื่อผ่านช่องเหล่านี้ อิเล็กตรอนชนกับพื้นผิวของจอฉายภาพอื่น โดยทิ้งรอยไว้ เป็นผลมาจาก "การทิ้งระเบิด" โดยอิเล็กตรอน รูปแบบการรบกวนปรากฏขึ้นบนหน้าจอฉายภาพ คล้ายกับที่จะปรากฏขึ้นหากคลื่นผ่านช่องผ่าสองช่อง แต่ไม่ใช่อนุภาค

รูปแบบดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากคลื่นที่ผ่านระหว่างสองช่องนั้นถูกแบ่งออกเป็นสองคลื่น อันเป็นผลมาจากการเคลื่อนไหวเพิ่มเติม คลื่นทับซ้อนกัน และในบางพื้นที่ คลื่นจะหักล้างซึ่งกันและกัน เป็นผลให้เราได้รับแถบจำนวนมากบนหน้าจอฉาย แทนที่จะเป็นหนึ่งแถบ อย่างที่ควรจะเป็นหากอิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาค

โครงสร้างนิวเคลียสของอะตอม: โปรตอนและนิวตรอน

โปรตอนและนิวตรอนประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียสของอะตอม และแม้ว่าในปริมาตรทั้งหมดแกนกลางจะมีน้อยกว่า 1% แต่ก็อยู่ในโครงสร้างนี้ที่มวลเกือบทั้งหมดของระบบกระจุกตัวอยู่ แต่ด้วยค่าใช้จ่ายของโครงสร้างของโปรตอนและนิวตรอนนักฟิสิกส์ถูกแบ่งออกในความคิดเห็นและในขณะนี้มีสองทฤษฎีในครั้งเดียว

• ทฤษฎี #1 - มาตรฐาน

โมเดลมาตรฐานกล่าวว่าโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กสามตัวที่เชื่อมต่อกันด้วยก้อนกลูออน ควาร์กเป็นอนุภาคจุด เช่นเดียวกับควอนตั้มและอิเล็กตรอน และกลูออนเป็นอนุภาคเสมือนที่รับประกันปฏิสัมพันธ์ของควาร์ก อย่างไรก็ตาม ไม่พบควาร์กหรือกลูออนในธรรมชาติ ดังนั้นโมเดลนี้จึงถูกวิพากษ์วิจารณ์อย่างรุนแรง

• ทฤษฎี #2 - ทางเลือก

แต่ตามทฤษฎีสนามรวมทางเลือกที่พัฒนาขึ้นโดยไอน์สไตน์ โปรตอน เช่นเดียวกับนิวตรอน เช่นเดียวกับอนุภาคอื่นๆ ของโลกทางกายภาพ เป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่หมุนด้วยความเร็วแสง

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของมนุษย์และดาวเคราะห์

หลักการของโครงสร้างของอะตอมคืออะไร?

ทุกสิ่งในโลก ทั้งละเอียดและหนาแน่น ของเหลว ของแข็ง และก๊าซ เป็นเพียงสถานะพลังงานของทุ่งนานับไม่ถ้วนที่แทรกซึมเข้าไปในอวกาศของจักรวาล ยิ่งระดับพลังงานในสนามสูงเท่าไร ก็จะยิ่งบางลงและมองเห็นได้น้อยลงเท่านั้น ยิ่งระดับพลังงานต่ำเท่าไรก็ยิ่งมีความเสถียรและจับต้องได้มากเท่านั้น ในโครงสร้างของอะตอมเช่นเดียวกับในโครงสร้างของหน่วยอื่น ๆ ของจักรวาลมีปฏิสัมพันธ์ของสนามดังกล่าวซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานแตกต่างกัน ปรากฎว่าเรื่องเป็นเพียงภาพลวงตาของจิตใจ

อะตอมไฮโดรเจนจับเมฆอิเล็กตรอน และแม้ว่านักฟิสิกส์สมัยใหม่จะสามารถกำหนดรูปร่างของโปรตอนได้โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค แต่ดูเหมือนว่าอะตอมของไฮโดรเจนจะยังคงเป็นวัตถุที่เล็กที่สุด ซึ่งเป็นภาพที่สมเหตุสมผลที่จะเรียกว่าภาพถ่าย "Lenta.ru" นำเสนอภาพรวมของวิธีการที่ทันสมัยในการถ่ายภาพไมโครเวิร์ล

พูดอย่างเคร่งครัดแทบไม่มีการถ่ายภาพธรรมดาเหลืออยู่ในปัจจุบัน รูปภาพที่เรามักเรียกว่ารูปถ่ายและสามารถพบได้ ตัวอย่างเช่น ในเรียงความรูปภาพ Lenta.ru ใด ๆ ที่จริงแล้วเป็นแบบจำลองคอมพิวเตอร์ เมทริกซ์ที่ไวต่อแสงในอุปกรณ์พิเศษ (ตามเนื้อผ้ายังคงเรียกว่า "กล้อง") กำหนดการกระจายเชิงพื้นที่ของความเข้มแสงในช่วงสเปกตรัมที่แตกต่างกันหลายช่วง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมเก็บข้อมูลนี้ในรูปแบบดิจิทัล และวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่นตาม ข้อมูลนี้ให้คำสั่งทรานซิสเตอร์ในจอแสดงผลคริสตัลเหลว . ฟิล์ม กระดาษ โซลูชั่นพิเศษสำหรับการประมวลผล - ทั้งหมดนี้กลายเป็นสิ่งแปลกใหม่ และถ้าเราจำความหมายที่แท้จริงของคำได้ การถ่ายภาพก็คือ "การวาดภาพด้วยแสง" จะว่าอย่างไรนักวิทยาศาสตร์ทำสำเร็จ ถ่ายรูปอะตอม เป็นไปได้ด้วยจำนวนที่พอเหมาะของความธรรมดาเท่านั้น

มากกว่าครึ่งของภาพทางดาราศาสตร์ทั้งหมดถูกถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อินฟราเรด อัลตราไวโอเลต และเอ็กซ์เรย์ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไม่ได้ฉายรังสีด้วยแสง แต่ฉายด้วยลำแสงอิเล็กตรอน ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมจะสแกนการบรรเทาตัวอย่างด้วยเข็ม มีกล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์และเครื่องสแกนภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์ทั้งหมดเหล่านี้ให้ภาพที่แม่นยำของวัตถุต่างๆ และถึงแม้จะไม่จำเป็นต้องพูดถึง "การวาดภาพด้วยแสง" ที่นี่ แต่เรายังอนุญาตให้ตัวเองเรียกภาพดังกล่าวว่ารูปถ่าย

การทดลองโดยนักฟิสิกส์เพื่อกำหนดรูปร่างของโปรตอนหรือการกระจายของควาร์กภายในอนุภาคจะยังคงอยู่เบื้องหลัง เรื่องราวของเราจะจำกัดอยู่ที่ขนาดของอะตอม

เลนส์ไม่เคยเก่า

เมื่อปรากฏให้เห็นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัลยังคงมีพื้นที่ให้พัฒนา ช่วงเวลาชี้ขาดในการวิจัยทางชีววิทยาและการแพทย์คือการเกิดขึ้นของสีย้อมเรืองแสงและวิธีการที่ช่วยให้สามารถเลือกฉลากของสารบางชนิดได้ มันไม่ใช่ "แค่ทาสีใหม่" แต่เป็นการปฏิวัติอย่างแท้จริง

ตรงกันข้ามกับความเข้าใจผิดทั่วไป การเรืองแสงไม่ใช่การเรืองแสงในความมืดเลย (ส่วนหลังเรียกว่าการเรืองแสง) นี่คือปรากฏการณ์ของการดูดกลืนควอนตัมของพลังงานบางอย่าง (เช่น แสงสีน้ำเงิน) กับการปล่อยพลังงานควอนตัมอื่น ๆ ที่ต่ำกว่าตามมา และด้วยเหตุนี้ แสงที่แตกต่างกัน (เมื่อดูดซับสีน้ำเงิน สีเขียวจะถูกปล่อยออกมา) หากคุณใส่ฟิลเตอร์ที่ยอมให้เฉพาะควอนตาที่ปล่อยออกมาจากสีย้อมเท่านั้นที่จะผ่านเข้าไปและปิดกั้นแสงที่ทำให้เกิดการเรืองแสงได้ คุณจะเห็นพื้นหลังสีเข้มที่มีจุดสีสว่าง และสีย้อมก็สามารถเลือกสีตัวอย่างได้อย่างมาก .

ตัวอย่างเช่น คุณสามารถระบายสีโครงร่างไซโตเซลล์ของเซลล์ประสาทเป็นสีแดง เน้นไซแนปส์เป็นสีเขียว และไฮไลท์นิวเคลียสเป็นสีน้ำเงิน คุณสามารถสร้างฉลากเรืองแสงที่จะช่วยให้คุณตรวจจับตัวรับโปรตีนบนเมมเบรนหรือโมเลกุลที่สังเคราะห์โดยเซลล์ภายใต้เงื่อนไขบางประการได้ วิธีการย้อมสีอิมมูโนฮิสโตเคมีได้ปฏิวัติวิทยาศาสตร์ทางชีววิทยา และเมื่อวิศวกรพันธุวิศวกรรมได้เรียนรู้วิธีสร้างสัตว์ดัดแปรพันธุกรรมด้วยโปรตีนเรืองแสง วิธีการนี้ก็ประสบกับการเกิดใหม่ เช่น หนูที่มีเซลล์ประสาทที่ทาสีด้วยสีต่างๆ กลายเป็นความจริง เป็นต้น

นอกจากนี้ วิศวกรยังได้คิดค้น (และฝึกฝน) วิธีการที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอล สาระสำคัญอยู่ที่ความจริงที่ว่ากล้องจุลทรรศน์มุ่งเน้นไปที่ชั้นที่บางมาก และไดอะแฟรมพิเศษจะตัดแสงที่สร้างโดยวัตถุที่อยู่นอกชั้นนี้ กล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวสามารถสแกนตัวอย่างจากบนลงล่างได้ตามลำดับ และรับภาพซ้อน ซึ่งเป็นพื้นฐานสำเร็จรูปสำหรับแบบจำลองสามมิติ

การใช้เลเซอร์และระบบควบคุมลำแสงออปติคอลที่ซับซ้อนทำให้สามารถแก้ปัญหาการซีดจางของสีย้อมและทำให้ตัวอย่างทางชีววิทยาที่ละเอียดอ่อนแห้งได้ภายใต้แสงจ้า: ลำแสงเลเซอร์จะสแกนตัวอย่างเฉพาะเมื่อจำเป็นสำหรับการถ่ายภาพเท่านั้น และเพื่อไม่ให้เสียเวลาและความพยายามในการตรวจสอบการเตรียมการขนาดใหญ่ผ่านช่องมองภาพที่มีขอบเขตการมองเห็นแคบ วิศวกรจึงเสนอระบบการสแกนอัตโนมัติ: คุณสามารถวางแก้วที่มีตัวอย่างบนระยะวัตถุของกล้องจุลทรรศน์สมัยใหม่ และ อุปกรณ์จะจับภาพพาโนรามาขนาดใหญ่ของตัวอย่างทั้งหมดโดยอิสระ ในเวลาเดียวกัน ในสถานที่ที่เหมาะสม เขาจะโฟกัส แล้วติดหลายเฟรมเข้าด้วยกัน

กล้องจุลทรรศน์บางตัวสามารถรองรับหนู หนู หนู หรือสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังขนาดเล็กเป็นอย่างน้อย อื่น ๆ เพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่รวมกับเครื่องเอ็กซ์เรย์ เพื่อขจัดสัญญาณรบกวนจากการสั่นสะเทือน โต๊ะพิเศษจำนวนมากถูกติดตั้งบนโต๊ะพิเศษที่มีน้ำหนักหลายตันในอาคารพร้อมปากน้ำที่มีการควบคุมอย่างระมัดระวัง ค่าใช้จ่ายของระบบดังกล่าวสูงกว่าค่าใช้จ่ายของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนอื่น ๆ และการแข่งขันเพื่อกรอบที่สวยงามที่สุดได้กลายเป็นประเพณีมาช้านาน นอกจากนี้ การปรับปรุงด้านออพติคยังดำเนินต่อไป: จากการค้นหาประเภทกระจกที่ดีที่สุดและการเลือกการผสมผสานเลนส์ที่เหมาะสมที่สุด วิศวกรได้ก้าวไปสู่วิธีการโฟกัสแสง

เราได้ระบุรายละเอียดทางเทคนิคจำนวนหนึ่งไว้โดยเฉพาะเพื่อแสดงให้เห็นว่าความก้าวหน้าในการวิจัยทางชีววิทยามีความเกี่ยวข้องกับความก้าวหน้าในด้านอื่นๆ มาเป็นเวลานาน หากไม่มีคอมพิวเตอร์ที่สามารถนับจำนวนเซลล์ที่มีรอยเปื้อนได้โดยอัตโนมัติในภาพถ่ายหลายร้อยภาพ ซูเปอร์ไมโครสโคปก็มีประโยชน์น้อยมาก และหากปราศจากสีย้อมเรืองแสง เซลล์ทั้งหมดนับล้านจะแยกไม่ออกจากกัน ดังนั้นแทบจะแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะติดตามการก่อตัวของเซลล์ใหม่หรือการตายของเซลล์เก่า

อันที่จริง กล้องจุลทรรศน์ตัวแรกเป็นแคลมป์ที่มีเลนส์ทรงกลมติดอยู่ อะนาล็อกของกล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวสามารถเป็นไพ่ธรรมดาที่มีรูและหยดน้ำ ตามรายงานบางฉบับ อุปกรณ์ดังกล่าวถูกใช้โดยนักขุดทองใน Kolyma แล้วในศตวรรษที่ผ่านมา

เกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบน

กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัลมีข้อเสียเปรียบพื้นฐาน ความจริงก็คือเป็นไปไม่ได้ที่จะฟื้นฟูรูปร่างของวัตถุเหล่านั้นที่กลายเป็นว่ามีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นจากรูปร่างของคลื่นแสงมาก: คุณสามารถลองตรวจสอบพื้นผิวที่ละเอียดของวัสดุด้วยมือของคุณใน a ถุงมือเชื่อมแบบหนา

ข้อจำกัดที่เกิดจากการเลี้ยวเบนถูกเอาชนะไปบางส่วนแล้ว และไม่ละเมิดกฎของฟิสิกส์ สถานการณ์สองประการช่วยให้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงดำดิ่งภายใต้อุปสรรคการเลี้ยวเบน: ความจริงที่ว่าระหว่างควอนตั้มเรืองแสงนั้นถูกปล่อยออกมาจากโมเลกุลของสีย้อมแต่ละโมเลกุล (ซึ่งอาจค่อนข้างห่างไกลจากกัน) และความจริงที่ว่าเมื่อซ้อนคลื่นแสงเข้าด้วยกันจึงเป็นไปได้ที่จะได้ความสว่าง จุดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าความยาวคลื่น

เมื่อซ้อนทับกัน คลื่นแสงสามารถหักล้างซึ่งกันและกันได้ ดังนั้น พารามิเตอร์การส่องสว่างของตัวอย่างจึงทำให้พื้นที่ที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตกลงไปในบริเวณสว่าง เมื่อใช้ร่วมกับอัลกอริธึมทางคณิตศาสตร์ที่สามารถลบภาพซ้อนได้ เช่น การให้แสงแบบมีทิศทางจะช่วยปรับปรุงคุณภาพของภาพได้อย่างมาก เป็นไปได้ที่จะตรวจสอบโครงสร้างภายในเซลล์ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัลและแม้กระทั่ง (โดยการรวมวิธีการที่อธิบายไว้กับกล้องจุลทรรศน์แบบคอนโฟคอล) เพื่อให้ได้ภาพสามมิติ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนก่อนเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์

เพื่อที่จะค้นพบอะตอมและโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์ไม่จำเป็นต้องมองดูพวกมัน - ทฤษฎีโมเลกุลไม่จำเป็นต้องเห็นวัตถุ แต่จุลชีววิทยาเกิดขึ้นได้หลังจากการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์เท่านั้น ดังนั้น ในตอนแรก กล้องจุลทรรศน์มีความเกี่ยวข้องอย่างแม่นยำกับยาและชีววิทยา: นักฟิสิกส์และนักเคมีที่ศึกษาวัตถุขนาดเล็กกว่ามากที่จัดการโดยวิธีอื่น เมื่อพวกเขาต้องการดูพิภพเล็กด้วย ข้อจำกัดการเลี้ยวเบนกลายเป็นปัญหาร้ายแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากวิธีการของกล้องจุลทรรศน์เรืองแสงที่อธิบายข้างต้นยังไม่ทราบ และไม่มีความรู้สึกเล็กน้อยในการเพิ่มความละเอียดจาก 500 เป็น 100 นาโนเมตรหากวัตถุที่จะต้องพิจารณายิ่งน้อยลง!

นักฟิสิกส์จากเยอรมนีรู้ว่าอิเล็กตรอนสามารถแสดงพฤติกรรมได้ทั้งในรูปคลื่นและอนุภาค นักฟิสิกส์จากเยอรมนีจึงสร้างเลนส์อิเล็กตรอนขึ้นในปี 1926 แนวคิดที่เป็นรากฐานนั้นง่ายมากและเข้าใจได้สำหรับเด็กนักเรียนทุกคน เนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเบี่ยงเบนอิเล็กตรอน จึงสามารถนำมาใช้เพื่อเปลี่ยนรูปร่างของลำอนุภาคเหล่านี้ได้โดยการดึงออกจากกัน หรือในทางกลับกัน เพื่อลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ ลำแสง ห้าปีต่อมา ในปี 1931 Ernst Ruska และ Max Knoll ได้สร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเครื่องแรกของโลก ในอุปกรณ์ ตัวอย่างแรกถูกส่องสว่างด้วยลำแสงอิเล็กตรอน จากนั้นเลนส์อิเล็กตรอนขยายลำแสงที่ผ่านเข้ามาก่อนที่จะตกลงไปบนหน้าจอเรืองแสงพิเศษ กล้องจุลทรรศน์ตัวแรกให้กำลังขยาย 400 เท่า แต่การเปลี่ยนแสงด้วยอิเล็กตรอนเป็นการปูทางสำหรับการถ่ายภาพด้วยกำลังขยายนับแสนครั้ง: นักออกแบบต้องเอาชนะอุปสรรคทางเทคนิคเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทำให้สามารถตรวจสอบโครงสร้างของเซลล์ในคุณภาพที่ไม่สามารถบรรลุได้ก่อนหน้านี้ แต่จากภาพนี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะเข้าใจอายุของเซลล์และการมีอยู่ของโปรตีนบางชนิดในเซลล์ และข้อมูลนี้จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับนักวิทยาศาสตร์

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถถ่ายภาพไวรัสได้ในระยะใกล้ มีการดัดแปลงอุปกรณ์ต่างๆ ที่ไม่เพียงแต่ส่องผ่านส่วนที่บางเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาใน "แสงสะท้อน" ด้วย (แน่นอนว่าในอิเล็กตรอนสะท้อนกลับ) เราจะไม่พูดถึงรายละเอียดเกี่ยวกับตัวเลือกทั้งหมดสำหรับกล้องจุลทรรศน์ แต่เราทราบว่าเมื่อเร็ว ๆ นี้นักวิจัยได้เรียนรู้วิธีคืนค่ารูปภาพจากรูปแบบการเลี้ยวเบน

สัมผัสไม่เห็น

การปฏิวัติอีกประการหนึ่งเกิดขึ้นจากการสูญเสียหลักการของ "การส่องสว่างและดู" อีกต่อไป กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู และกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน จะไม่ส่องแสงบนพื้นผิวของตัวอย่างอีกต่อไป ในทางกลับกัน เข็มที่บางเป็นพิเศษจะเคลื่อนผ่านพื้นผิว ซึ่งกระเด้งได้อย่างแท้จริงแม้กระแทกขนาดอะตอมเดียว

โดยไม่ต้องลงลึกถึงรายละเอียดของวิธีการดังกล่าวทั้งหมด เราสังเกตสิ่งสำคัญ: เข็มของกล้องจุลทรรศน์แบบเจาะอุโมงค์ไม่เพียงเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวได้เท่านั้น แต่ยังใช้เพื่อจัดเรียงอะตอมใหม่จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง นี่คือวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สร้างจารึก ภาพวาด และแม้แต่การ์ตูน โดยที่เด็กผู้ชายที่วาดรูปเล่นกับอะตอม อะตอมซีนอนของจริงลากโดยปลายกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน

กล้องจุลทรรศน์แบบเจาะอุโมงค์ถูกเรียกเนื่องจากใช้ผลของกระแสในอุโมงค์ที่ไหลผ่านเข็ม: อิเล็กตรอนจะผ่านช่องว่างระหว่างเข็มและพื้นผิวอันเนื่องมาจากผลของการขุดอุโมงค์ที่ทำนายโดยกลศาสตร์ควอนตัม อุปกรณ์นี้ต้องใช้เครื่องดูดฝุ่นในการทำงาน

กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู (AFM) มีความต้องการน้อยกว่ามากในสภาวะแวดล้อม - สามารถทำงานได้ (โดยมีข้อจำกัดหลายประการ) โดยไม่ต้องสูบลม ในแง่หนึ่ง AFM เป็นผู้สืบทอดนาโนเทคโนโลยีต่อแผ่นเสียง เข็มที่ติดตั้งบนโครงยึดเสาเข็มที่บางและยืดหยุ่นได้ ( เท้าแขนและมี "แท่น") เคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวโดยไม่ใช้แรงดันไฟฟ้าและติดตามการบรรเทาตัวอย่างในลักษณะเดียวกับที่เข็มแผ่นเสียงเคลื่อนไปตามร่องของแผ่นเสียง การโค้งงอของคานรับน้ำหนักทำให้กระจกที่จับจ้องอยู่นั้นเบี่ยงเบน กระจกจะเบี่ยงเบนลำแสงเลเซอร์ และทำให้สามารถกำหนดรูปร่างของตัวอย่างภายใต้การศึกษาได้อย่างแม่นยำมาก สิ่งสำคัญคือการมีระบบการเคลื่อนเข็มที่แม่นยำพอสมควร ตลอดจนการจัดหาเข็มที่ต้องมีความคมอย่างสมบูรณ์ รัศมีความโค้งที่ปลายเข็มดังกล่าวต้องไม่เกินหนึ่งนาโนเมตร

AFM ช่วยให้คุณเห็นอะตอมและโมเลกุลแต่ละตัวได้ แต่เช่นเดียวกับกล้องจุลทรรศน์แบบเจาะอุโมงค์ มันไม่อนุญาตให้คุณมองใต้พื้นผิวของตัวอย่าง กล่าวอีกนัยหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์ต้องเลือกระหว่างความสามารถในการมองเห็นอะตอมและความสามารถในการศึกษาวัตถุทั้งหมด อย่างไรก็ตาม แม้แต่สำหรับกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัล ด้านในของตัวอย่างที่ศึกษานั้นไม่สามารถเข้าถึงได้เสมอไป เนื่องจากแร่ธาตุหรือโลหะมักจะส่งผ่านแสงได้ไม่ดี นอกจากนี้ การถ่ายภาพอะตอมยังมีปัญหาอยู่ เนื่องจากวัตถุเหล่านี้ดูเหมือนลูกบอลธรรมดา รูปทรงของเมฆอิเล็กตรอนจะไม่ปรากฏให้เห็นในภาพดังกล่าว

การแผ่รังสีซิงโครตรอนซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการชะลอตัวของอนุภาคประจุไฟฟ้าที่กระจายตัวด้วยเครื่องเร่งอนุภาค ทำให้สามารถศึกษาซากสัตว์ดึกดำบรรพ์ที่กลายเป็นหินได้ โดยการหมุนตัวอย่างภายใต้รังสีเอกซ์ เราจะได้ภาพโทโมแกรมสามมิติ นี่คือวิธีการ ตัวอย่างเช่น สมองถูกพบในกระโหลกของปลาที่สูญพันธุ์ไปเมื่อ 300 ล้านปีก่อน คุณสามารถทำได้โดยไม่ต้องหมุน หากการลงทะเบียนของรังสีที่ส่งผ่านคือการแก้ไขรังสีเอกซ์ที่กระจัดกระจายเนื่องจากการเลี้ยวเบน

และนี่ไม่ใช่ความเป็นไปได้ทั้งหมดที่รังสีเอกซ์จะเปิดออก เมื่อฉายรังสีด้วยวัสดุจำนวนมากเรืองแสงและองค์ประกอบทางเคมีของสารสามารถกำหนดได้โดยธรรมชาติของการเรืองแสง: ด้วยวิธีนี้นักวิทยาศาสตร์ระบายสีสิ่งประดิษฐ์โบราณงานของอาร์คิมิดีสถูกลบในยุคกลางหรือสีของขนนก ของนกที่สูญพันธุ์ไปนานแล้ว

วางอะตอม

เมื่อเทียบกับฉากหลังของความเป็นไปได้ทั้งหมดที่ได้จากการเอ็กซ์เรย์หรือการเรืองแสงด้วยแสง วิธีใหม่ในการถ่ายภาพอะตอมแต่ละอะตอมดูเหมือนจะไม่ใช่ความก้าวหน้าครั้งใหญ่ทางวิทยาศาสตร์อีกต่อไป สาระสำคัญของวิธีการที่ทำให้สามารถรับภาพที่นำเสนอในสัปดาห์นี้มีดังนี้: อิเล็กตรอนถูกดึงออกจากอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนและส่งไปยังเครื่องตรวจจับพิเศษ การกระทำของไอออไนเซชันแต่ละครั้งจะดึงอิเล็กตรอนออกจากตำแหน่งหนึ่งและให้จุดหนึ่งบน "ภาพถ่าย" เมื่อสะสมคะแนนดังกล่าวหลายพันจุด นักวิทยาศาสตร์ก็ได้สร้างรูปภาพที่แสดงตำแหน่งที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการค้นหาอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอม และตามคำนิยามแล้ว นี่คือเมฆอิเล็กตรอน

โดยสรุป สมมติว่าความสามารถในการมองเห็นอะตอมแต่ละตัวด้วยเมฆอิเล็กตรอนของพวกมันนั้นเปรียบเสมือนเชอร์รี่บนเค้กของกล้องจุลทรรศน์สมัยใหม่ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่จะต้องศึกษาโครงสร้างของวัสดุ ศึกษาเซลล์และผลึก และการพัฒนาเทคโนโลยีที่เกิดจากสิ่งนี้ทำให้สามารถเข้าถึงอะตอมไฮโดรเจนได้ สิ่งที่น้อยกว่านั้นเป็นที่สนใจของผู้เชี่ยวชาญในฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานอยู่แล้ว และนักชีววิทยา นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ และนักธรณีวิทยายังคงมีพื้นที่สำหรับปรับปรุงกล้องจุลทรรศน์ แม้ว่าจะมีกำลังขยายที่ค่อนข้างเจียมเนื้อเจียมตัวเมื่อเทียบกับอะตอม ยกตัวอย่างเช่น ผู้เชี่ยวชาญด้านประสาทสรีรวิทยา อยากได้อุปกรณ์ที่สามารถมองเห็นเซลล์แต่ละเซลล์ภายในสมองที่มีชีวิตมานานแล้ว และผู้สร้างยานสำรวจจะขายวิญญาณของตนเพื่อซื้อกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่พอดีกับยานอวกาศและสามารถทำงานบนดาวอังคารได้

อะตอม (จากภาษากรีก "แบ่งไม่ได้") เป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารที่มีขนาดจุลภาค ซึ่งเป็นส่วนที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีที่มีคุณสมบัติของมัน องค์ประกอบของอะตอม - โปรตอน นิวตรอน อิเล็กตรอน - ไม่มีคุณสมบัติเหล่านี้และประกอบเข้าด้วยกันอีกต่อไป อะตอมโควาเลนต์ก่อตัวเป็นโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์ศึกษาคุณสมบัติของอะตอมและถึงแม้จะได้รับการศึกษามาอย่างดีแล้ว แต่ก็ไม่พลาดโอกาสที่จะค้นพบสิ่งใหม่ ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการสร้างวัสดุใหม่และอะตอมใหม่ (ตารางธาตุต่อไป) 99.9% ของมวลอะตอมอยู่ในนิวเคลียส

อย่าตกใจกับชื่อเรื่อง หลุมดำที่สร้างขึ้นโดยบังเอิญโดยเจ้าหน้าที่ของ National Accelerator Laboratory SLAC กลับกลายเป็นว่ามีขนาดอะตอมเพียงอะตอมเดียว ดังนั้นจึงไม่มีอะไรคุกคามเรา และชื่อ "หลุมดำ" อธิบายปรากฏการณ์ที่นักวิจัยสังเกตได้จากระยะไกลเท่านั้น เราได้บอกคุณซ้ำแล้วซ้ำเล่าเกี่ยวกับเลเซอร์เอ็กซ์เรย์ที่ทรงพลังที่สุดในโลกที่เรียกว่า

Trurl เริ่มจับอะตอมขูดอิเล็กตรอนจากพวกมันนวดโปรตอนเพื่อให้มีเพียงนิ้วของเขาเท่านั้นที่กระพริบเตรียมแป้งโปรตอนวางอิเล็กตรอนไว้รอบ ๆ และ - สำหรับอะตอมต่อไป ผ่านไปไม่ถึงห้านาที ก่อนที่เขาจะถือแท่งทองคำบริสุทธิ์อยู่ในมือ เขายื่นมันไปที่ปากกระบอกปืน แต่เธอได้ชิมแท่งที่อยู่บนฟันของเธอและพยักหน้าแล้วพูดว่า:
- และทองจริงๆ แต่ฉันไม่สามารถไล่ตามอะตอมแบบนั้นได้ ฉันตัวใหญ่เกินไป
- ไม่มีอะไร เราจะมอบอุปกรณ์พิเศษให้คุณ! ทรูลชักชวนเขา

สตานิสลาฟ เลม จาก Cyberiad

เป็นไปได้ไหมที่จะเห็นอะตอมด้วยกล้องจุลทรรศน์ เพื่อแยกความแตกต่างจากอะตอมอื่น ตามรอยการทำลายหรือการก่อตัวของพันธะเคมี และเพื่อดูว่าโมเลกุลหนึ่งกลายเป็นอีกโมเลกุลหนึ่งได้อย่างไร ใช่ถ้าไม่ใช่กล้องจุลทรรศน์ธรรมดา แต่เป็นแรงปรมาณู และคุณสามารถและไม่ จำกัด เฉพาะการสังเกต เราอยู่ในยุคที่กล้องจุลทรรศน์กำลังปรมาณูหยุดเป็นเพียงหน้าต่างสู่โลกจุลภาค ทุกวันนี้ เครื่องมือนี้สามารถใช้ในการเคลื่อนย้ายอะตอม ทำลายพันธะเคมี ศึกษาขีดจำกัดการยืดตัวของโมเลกุลเดี่ยว และแม้กระทั่งศึกษาจีโนมของมนุษย์

จดหมายจากพิกเซลซีนอน

การพิจารณาอะตอมไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป ประวัติของกล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณูเริ่มขึ้นในปี 2522 เมื่อ Gerd Karl Binnig และ Heinrich Rohrer ทำงานที่ IBM Research Center ในเมืองซูริก ได้เริ่มสร้างเครื่องมือที่ช่วยให้ศึกษาพื้นผิวด้วยความละเอียดของอะตอม ในการคิดค้นอุปกรณ์ดังกล่าว นักวิจัยจึงตัดสินใจใช้เอฟเฟกต์การเปลี่ยนผ่านของอุโมงค์ ซึ่งเป็นความสามารถของอิเล็กตรอนในการเอาชนะสิ่งกีดขวางที่ดูเหมือนผ่านเข้าไปไม่ได้ แนวคิดคือการกำหนดตำแหน่งของอะตอมในตัวอย่างโดยการวัดความแรงของกระแสในอุโมงค์ที่เกิดขึ้นระหว่างโพรบการสแกนกับพื้นผิวที่ศึกษา

Binnig และ Rohrer ประสบความสำเร็จ และพวกเขาลงไปในประวัติศาสตร์ในฐานะนักประดิษฐ์ของกล้องจุลทรรศน์สแกนอุโมงค์ (STM) และในปี 1986 ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนได้ปฏิวัติวงการฟิสิกส์และเคมีอย่างแท้จริง

ในปี 1990 Don Eigler และ Erhard Schweitzer ทำงานที่ IBM Research Center ในแคลิฟอร์เนีย แสดงให้เห็นว่า STM ไม่เพียง แต่จะใช้ในการสังเกตอะตอมเท่านั้น แต่ยังใช้เพื่อจัดการกับพวกมันด้วย ด้วยการใช้โพรบของกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน พวกเขาจึงสร้างภาพที่ได้รับความนิยมมากที่สุด ซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของการเปลี่ยนผ่านของนักเคมีไปสู่การทำงานกับอะตอมแต่ละตัว - พวกเขาวาดตัวอักษรสามตัวบนพื้นผิวนิกเกิลด้วยอะตอมของซีนอน 35 ตัว (รูปที่ 1)

Binnig ไม่ได้พักผ่อนในเกียรติยศของเขา - ในปีที่ได้รับรางวัลโนเบลร่วมกับ Christopher Gerber และ Calvin Quayt ซึ่งทำงานที่ IBM Zurich Research Center เขาเริ่มทำงานบนอุปกรณ์อื่นเพื่อศึกษา microworld โดยปราศจากข้อบกพร่อง ที่มีอยู่ใน STM ความจริงก็คือด้วยความช่วยเหลือของกล้องจุลทรรศน์สแกนอุโมงค์แบบส่องกราด มันเป็นไปไม่ได้ที่จะศึกษาพื้นผิวอิเล็กทริก แต่มีเพียงตัวนำและเซมิคอนดักเตอร์เท่านั้น และเพื่อวิเคราะห์อย่างหลัง ต้องสร้างการหายากที่สำคัญระหว่างพวกมันกับโพรบกล้องจุลทรรศน์ เมื่อตระหนักว่าการสร้างอุปกรณ์ใหม่ทำได้ง่ายกว่าการอัพเกรดอุปกรณ์ที่มีอยู่ Binnig, Gerber และ Quait ได้คิดค้นกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมหรือ AFM หลักการทำงานของมันแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง: เพื่อให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับพื้นผิวไม่ใช่ความแรงในปัจจุบันที่เกิดขึ้นระหว่างโพรบกล้องจุลทรรศน์กับตัวอย่างที่วัดภายใต้การศึกษา แต่เป็นค่าของแรงดึงดูดที่เกิดขึ้นระหว่างพวกเขา นั่นคือปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ทางเคมีที่อ่อนแอ - กองกำลัง van der Waals

รูปแบบการทำงานแรกของ AFM นั้นค่อนข้างง่าย นักวิจัยย้ายหัววัดเพชรไปบนพื้นผิวของตัวอย่าง โดยเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ไมโครเครื่องกลที่ยืดหยุ่นได้ - เสาเข็มฟอยล์สีทอง (แรงดึงดูดเกิดขึ้นระหว่างโพรบกับอะตอม คานยื่นขึ้นอยู่กับแรงดึงดูดและทำให้เพียโซอิเล็กทริกเสียรูป) ระดับการโค้งงอของคานรับน้ำหนักถูกกำหนดโดยใช้เซ็นเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริก - ในทำนองเดียวกัน ร่องและแนวสันของแผ่นเสียงไวนิลจะเปลี่ยนเป็นการบันทึกเสียง การออกแบบกล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณูทำให้สามารถตรวจจับแรงดึงดูดได้มากถึง 10-18 นิวตัน หนึ่งปีหลังจากการสร้างต้นแบบที่ใช้งานได้ นักวิจัยได้ภาพภูมิประเทศพื้นผิวกราไฟท์ที่มีความละเอียด 2.5 อังสตรอม

ในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านไปตั้งแต่นั้นมา AFM ถูกใช้เพื่อศึกษาวัตถุทางเคมีเกือบทุกชนิด ตั้งแต่พื้นผิวของวัสดุเซรามิกไปจนถึงเซลล์ที่มีชีวิตและโมเลกุลแต่ละตัว ทั้งในสถานะคงที่และไดนามิก กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณูได้กลายเป็นผลงานของนักเคมีและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ และจำนวนงานที่ใช้วิธีนี้ก็เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ (รูปที่ 2)

หลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้เลือกเงื่อนไขสำหรับการศึกษาวัตถุทั้งแบบสัมผัสและไม่สัมผัสโดยใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอม วิธีการสัมผัสที่อธิบายข้างต้นขึ้นอยู่กับการทำงานร่วมกันของ Van der Waals ระหว่างคานเท้าแขนกับพื้นผิว เมื่อใช้งานในโหมดไม่สัมผัส เครื่องพายโซวิเบรเตอร์จะกระตุ้นการสั่นของโพรบที่ความถี่หนึ่ง (ส่วนใหญ่มักจะเป็นจังหวะ) แรงที่กระทำจากพื้นผิวนำไปสู่ความจริงที่ว่าทั้งแอมพลิจูดและเฟสของการแกว่งของโพรบเปลี่ยนไป แม้จะมีข้อบกพร่องบางประการของวิธีการไม่สัมผัส (อย่างแรกคือ ความไวต่อสัญญาณรบกวนจากภายนอก) มันเป็นวิธีนี้ที่ไม่รวมผลกระทบของโพรบบนวัตถุที่กำลังศึกษา ดังนั้นจึงน่าสนใจกว่าสำหรับนักเคมี

มีชีวิตอยู่บนโพรบ ไล่ตามการเชื่อมต่อ

กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณูกลายเป็นแบบไม่สัมผัสในปี 1998 เนื่องจากผลงานของ Franz Josef Gissible นักศึกษาของ Binnig เขาเป็นคนแนะนำให้ใช้ออสซิลเลเตอร์อ้างอิงควอตซ์ที่มีความถี่คงที่เป็นคานเท้าแขน หลังจาก 11 ปีผ่านไป นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการ IBM ในเมืองซูริกได้ทำการดัดแปลง AFM แบบไม่สัมผัสอีกครั้ง: บทบาทของเซ็นเซอร์โพรบไม่ได้ทำโดยผลึกเพชรที่แหลมคม แต่ทำโดยโมเลกุลหนึ่ง - คาร์บอนมอนอกไซด์ สิ่งนี้ทำให้สามารถย้ายไปสู่ความละเอียดระดับย่อยของอะตอม ดังที่แสดงโดย Leo Gross จากแผนกซูริกของ IBM ในปี 2009 ด้วยความช่วยเหลือของ AFM เขาทำให้มองไม่เห็นอะตอม แต่เป็นพันธะเคมี โดยได้รับ "ภาพ" ที่ชัดเจนและชัดเจนสำหรับโมเลกุลเพนทาซีน (รูปที่ 3; ศาสตร์, 2552, 325, 5944, 1110–1114, ดอย: 10.1126/science.1176210).

ด้วยความเชื่อมั่นว่า AFM สามารถมองเห็นพันธะเคมีได้ ลีโอ กรอสจึงตัดสินใจดำเนินการต่อไปและใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมเพื่อวัดความยาวและลำดับของพันธะ ซึ่งเป็นพารามิเตอร์หลักสำหรับการทำความเข้าใจโครงสร้างทางเคมี และด้วยเหตุนี้คุณสมบัติของสาร

โปรดจำไว้ว่าความแตกต่างในลำดับพันธะบ่งชี้ถึงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันและระยะห่างระหว่างอะตอมที่แตกต่างกันระหว่างสองอะตอม (พูดง่ายๆ ก็คือ พันธะคู่จะสั้นกว่าพันธะเดี่ยว) ในอีเทน ลำดับพันธะคาร์บอน-คาร์บอนคือ 1 ในเอทิลีนคือ 2 และในโมเลกุลอะโรมาติกแบบคลาสสิก เบนซิน ลำดับพันธะคาร์บอน-คาร์บอนมีค่ามากกว่า 1 แต่น้อยกว่า 2 และถือเป็น 1.5

การกำหนดลำดับการยึดติดทำได้ยากกว่ามากเมื่อเปลี่ยนจากระบบอะโรมาติกธรรมดาไปเป็นระบบวงแหวนโพลีคอนเดนเสทแบบระนาบหรือขนาดใหญ่ ดังนั้น ลำดับของพันธะในฟูลเลอรีนที่ประกอบด้วยวัฏจักรคาร์บอนห้าและหกสมาชิกที่ควบแน่นสามารถรับค่าใดก็ได้ตั้งแต่หนึ่งถึงสอง ความไม่แน่นอนในทางทฤษฎีใช้กับสารประกอบอะโรมาติกโพลีไซคลิก

ในปี 2555 Leo Gross ร่วมกับ Fabian Mohn แสดงให้เห็นว่ากล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมพร้อมหัววัดแบบไม่สัมผัสโลหะที่ดัดแปลงด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์สามารถวัดความแตกต่างในการกระจายประจุระหว่างอะตอมและระยะห่างระหว่างอะตอม กล่าวคือ พารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับลำดับพันธะ ( ศาสตร์, 2555, 337, 6100, 1326–1329, ดอย: 10.1126/science.1225621).

ในการทำเช่นนี้ พวกเขาได้ศึกษาพันธะเคมีสองประเภทในฟูลเลอรีน - พันธะคาร์บอน - คาร์บอนซึ่งพบได้บ่อยในวัฏจักรที่มีคาร์บอนหกอะตอมสองรอบของ C 60 ฟูลเลอรีน และพันธะคาร์บอน - คาร์บอนร่วมกันถึงห้าและหกสมาชิก รอบ กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณูแสดงให้เห็นว่าการควบแน่นของวงแหวนหกส่วนส่งผลให้เกิดพันธะที่สั้นกว่าและอยู่ในลำดับที่สูงกว่าการควบแน่นของชิ้นส่วนวัฏจักร C 6 และ C 5 การศึกษาคุณสมบัติของพันธะเคมีในเฮกซะเบนโซโคโรนีน ซึ่งมีวงจร C6 อีกหกรอบตั้งอยู่อย่างสมมาตรรอบวงจร C 6 ส่วนกลาง ยืนยันผลลัพธ์ของการสร้างแบบจำลองเคมีควอนตัมตามลำดับพันธะ CC ของวงแหวนกลาง (ในรูปที่ 4 จดหมาย ฉัน) ต้องมากกว่าพันธะที่รวมวงแหวนนี้เข้ากับวงจรรอบนอก (ในรูปที่ 4 ตัวอักษร เจ). ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันยังได้รับสำหรับโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งมีวงแหวนหกอะตอมเก้าวง

แน่นอนว่าคำสั่งของพันธะและระยะห่างระหว่างอะตอมนั้นเป็นที่สนใจของนักเคมีอินทรีย์ แต่สิ่งที่สำคัญกว่าสำหรับผู้ที่มีส่วนร่วมในทฤษฎีพันธะเคมี การทำนายการเกิดปฏิกิริยา และการศึกษากลไกของปฏิกิริยาเคมี อย่างไรก็ตาม ทั้งนักเคมีสังเคราะห์และผู้เชี่ยวชาญในการศึกษาโครงสร้างของสารประกอบธรรมชาติต่างรู้สึกประหลาดใจ: ปรากฎว่ากล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมสามารถใช้เพื่อสร้างโครงสร้างของโมเลกุลในลักษณะเดียวกับ NMR หรืออินฟราเรดสเปกโทรสโกปี นอกจากนี้ยังให้คำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามที่วิธีการเหล่านี้ไม่สามารถรับมือได้

จากภาพถ่ายสู่ภาพยนตร์

ในปี 2010 Leo Gross และ Rainer Ebel คนเดียวกันสามารถสร้างโครงสร้างของสารประกอบธรรมชาติ - cephalandol A ได้อย่างไม่น่าสงสัยซึ่งแยกได้จากแบคทีเรีย Dermacoccus abyssi(เคมีธรรมชาติ, 2010, 2, 821–825, ดอย: 10.1038/nchem.765). องค์ประกอบของเซฟาแลนดอล A ถูกกำหนดก่อนหน้านี้โดยใช้แมสสเปกโตรเมตรี แต่การวิเคราะห์สเปกตรัม NMR ของสารประกอบนี้ไม่ได้ให้คำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามเกี่ยวกับโครงสร้างของมัน: มีสี่ตัวแปรที่เป็นไปได้ นักวิจัยได้ตัดโครงสร้างสองในสี่ออกทันทีโดยใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอม และเลือกสองโครงสร้างที่เหลือโดยเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้จาก AFM และแบบจำลองเคมีควอนตัม งานนี้กลายเป็นเรื่องยาก: ตรงกันข้ามกับเพนทาซีน, ฟูลเลอรีนและโคโรเนน, เซฟาแลนดอลเอไม่เพียงประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจนเท่านั้น นอกจากนี้ โมเลกุลนี้ไม่มีระนาบสมมาตร (รูปที่ 5) - แต่ปัญหานี้ก็ได้รับการแก้ไขเช่นกัน

การยืนยันเพิ่มเติมว่ากล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมสามารถใช้เป็นเครื่องมือวิเคราะห์ได้จากกลุ่มของ Oskar Kustanz จากนั้นที่โรงเรียนวิศวกรรมมหาวิทยาลัยโอซาก้า เขาแสดงให้เห็นว่าโดยใช้ AFM เพื่อแยกแยะระหว่างอะตอมที่ต่างกันน้อยกว่าคาร์บอนและไฮโดรเจน ( ธรรมชาติ, 2550, 446, 64–67, ดอย: 10.1038/nature05530). Kustanz ได้ตรวจสอบพื้นผิวของโลหะผสมที่ประกอบด้วยซิลิกอน ดีบุก และตะกั่วที่มีเนื้อหาที่ทราบของแต่ละองค์ประกอบ จากการทดลองหลายครั้ง เขาพบว่าแรงที่เกิดขึ้นระหว่างปลายโพรบ AFM และอะตอมต่างกันต่างกัน (รูปที่ 6) ตัวอย่างเช่น มีการสังเกตปฏิกิริยาที่รุนแรงที่สุดเมื่อตรวจสอบซิลิกอน และจุดอ่อนที่สุด - เมื่อตรวจสอบตะกั่ว

สันนิษฐานว่าในอนาคตผลของกล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมสำหรับการรับรู้อะตอมแต่ละตัวจะได้รับการประมวลผลในลักษณะเดียวกับผลลัพธ์ของ NMR - โดยการเปรียบเทียบค่าสัมพัทธ์ เนื่องจากยากต่อการควบคุมองค์ประกอบที่แน่นอนของเข็มเซ็นเซอร์ ค่าสัมบูรณ์ของแรงระหว่างเซ็นเซอร์กับอะตอมของพื้นผิวต่างๆ จึงขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการทดลองและยี่ห้อของอุปกรณ์ แต่อัตราส่วนของแรงเหล่านี้สำหรับองค์ประกอบและรูปร่างใดๆ ของ เซ็นเซอร์จะคงที่สำหรับแต่ละองค์ประกอบทางเคมี

ในปี 2013 ตัวอย่างแรกของการใช้ AFM เพื่อให้ได้ภาพโมเลกุลแต่ละตัวก่อนและหลังปฏิกิริยาเคมีปรากฏขึ้น: "โฟโตเซต" ถูกสร้างขึ้นจากผลิตภัณฑ์และตัวกลางของปฏิกิริยา ซึ่งสามารถติดตั้งเป็นฟิล์มสารคดีได้ ( ศาสตร์, 2013, 340, 6139, 1434–1437; ดอย: 10.1126/science.1238187).

Felix Fisher และ Michael Crommie จาก University of California at Berkeley ใช้เงินลงบนพื้นผิว 1,2-bis[(2-ethynylphenyl)ethynyl]benzeneถ่ายภาพโมเลกุลและทำให้พื้นผิวร้อนขึ้นเพื่อเริ่มการหมุนเวียน ครึ่งหนึ่งของโมเลกุลดั้งเดิมกลายเป็นโครงสร้างอะโรมาติกโพลีไซคลิก ซึ่งประกอบด้วยวงแหวนหกส่วนห้าวงและวงแหวนห้าส่วนสองวงที่หลอมรวมกัน อีกหนึ่งในสี่ของโมเลกุลก่อรูปโครงสร้างที่ประกอบด้วยวัฏจักรที่มีสมาชิกหกตัวสี่วงที่เชื่อมโยงผ่านวงจรที่มีสมาชิกสี่ตัวหนึ่งวงและวงรอบที่มีสมาชิกห้าตัวสองวง (รูปที่ 7) ผลิตภัณฑ์ที่เหลือคือโครงสร้างโอลิโกเมอร์และพอลิไซคลิกไอโซเมอร์ในปริมาณที่ไม่มีนัยสำคัญ

ผลลัพธ์เหล่านี้ทำให้นักวิจัยประหลาดใจถึงสองครั้ง ขั้นแรก เกิดผลิตภัณฑ์หลักเพียงสองผลิตภัณฑ์ระหว่างปฏิกิริยา ประการที่สอง โครงสร้างของพวกเขาทำให้เกิดความประหลาดใจ ฟิชเชอร์ตั้งข้อสังเกตว่าสัญชาตญาณทางเคมีและประสบการณ์ทำให้สามารถวาดผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาที่เป็นไปได้ได้หลายสิบชิ้น แต่ไม่มีผลิตภัณฑ์ใดที่สอดคล้องกับสารประกอบที่เกิดขึ้นบนพื้นผิว เป็นไปได้ว่าปฏิกิริยาของสารตั้งต้นกับสารตั้งต้นมีส่วนทำให้เกิดกระบวนการทางเคมีที่ผิดปรกติ

โดยธรรมชาติแล้ว หลังจากประสบความสำเร็จอย่างจริงจังครั้งแรกในการศึกษาพันธะเคมี นักวิจัยบางคนตัดสินใจใช้ AFM เพื่อสังเกตปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอกว่าและมีการศึกษาน้อย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พันธะไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม การทำงานในพื้นที่นี้เพิ่งเริ่มต้น และผลลัพธ์ที่ได้ก็ขัดแย้งกัน ดังนั้นในสิ่งพิมพ์บางฉบับมีรายงานว่ากล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมทำให้สามารถสังเกตพันธะไฮโดรเจนได้ ( ศาสตร์, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603) ในที่อื่นๆ พวกเขาโต้แย้งว่าสิ่งเหล่านี้เป็นเพียงสิ่งประดิษฐ์เนื่องจากคุณสมบัติการออกแบบของอุปกรณ์ และควรตีความผลการทดลองให้ละเอียดยิ่งขึ้น ( จดหมายทบทวนทางกายภาพ, 2014, 113, 186102, ดอย:10.1103/PhysRevLett.113.186102). บางทีคำตอบสุดท้ายสำหรับคำถามที่ว่าเป็นไปได้ที่จะสังเกตไฮโดรเจนและปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลอื่น ๆ โดยใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมจะได้รับแล้วในทศวรรษนี้ ในการทำเช่นนี้ จำเป็นต้องเพิ่มความละเอียด AFM อย่างน้อยหลายๆ ครั้ง และเรียนรู้วิธีให้ได้ภาพที่ไม่มีสัญญาณรบกวน ( การตรวจร่างกาย B, 2014, 90, 085421, ดอย:10.1103/PhysRevB.90.085421).

การสังเคราะห์หนึ่งโมเลกุล

ในมือที่เชี่ยวชาญ ทั้ง STM และ AFM ถูกเปลี่ยนจากเครื่องมือที่สามารถศึกษาเรื่องเป็นเครื่องมือที่สามารถเปลี่ยนโครงสร้างของสสารได้ในทิศทางเดียว ด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์เหล่านี้ เป็นไปได้ที่จะได้รับ "ห้องปฏิบัติการเคมีที่เล็กที่สุด" ซึ่งใช้สารตั้งต้นแทนขวด และใช้โมเลกุลแต่ละตัวแทนโมลหรือมิลลิโมลของสารตั้งต้น

ตัวอย่างเช่น ในปี 2016 ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดย Takashi Kumagai ใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแบบไม่สัมผัสเพื่อถ่ายโอนโมเลกุล porphycene จากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่ง ( เคมีธรรมชาติ, 2016, 8, 935–940, ดอย: 10.1038/nchem.2552). Porphycene ถือได้ว่าเป็นการดัดแปลงของ porphyrin ซึ่งวัฏจักรภายในประกอบด้วยอะตอมไนโตรเจนสี่อะตอมและไฮโดรเจนสองอะตอม การสั่นสะเทือนของโพรบ AFM ถ่ายโอนพลังงานที่เพียงพอไปยังโมเลกุล porphycene เพื่อถ่ายโอนไฮโดรเจนเหล่านี้จากอะตอมไนโตรเจนหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง และด้วยเหตุนี้ จึงมี "การสะท้อนของกระจก" ของโมเลกุลนี้ (รูปที่ 8)

กลุ่มที่นำโดย Leo Gross ที่ไม่ย่อท้อยังแสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่จะเริ่มต้นปฏิกิริยาของโมเลกุลเดียว - พวกเขาเปลี่ยน dibromoanthracene ให้กลายเป็นไซคลิกไดอีนที่มีสมาชิกสิบคน (รูปที่ 9; เคมีธรรมชาติ, 2015, 7, 623–628, ดอย: 10.1038/nchem.2300)). ซึ่งแตกต่างจาก Kumagai et al. พวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์สแกนอุโมงค์เพื่อกระตุ้นโมเลกุลและผลของปฏิกิริยาได้รับการตรวจสอบโดยใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอม

การใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนร่วมกันและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมทำให้ได้โมเลกุลที่ไม่สามารถสังเคราะห์ได้โดยใช้เทคนิคและวิธีการแบบคลาสสิก ( นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ, 2017, 12, 308–311, ดอย: 10.1038/nnano.2016.305). สามเหลี่ยมนี้เป็นสารอะโรมาติกไดเรดิคัลที่ไม่เสถียร ซึ่งมีการคาดการณ์เมื่อหกทศวรรษที่แล้ว แต่ความพยายามทั้งหมดในการสังเคราะห์ไม่ประสบความสำเร็จ (รูปที่ 10) นักเคมีจากกลุ่ม Niko Pavlicek ได้รับสารประกอบที่ต้องการโดยการกำจัดไฮโดรเจน 2 อะตอมออกจากสารตั้งต้นโดยใช้ STM และยืนยันผลการสังเคราะห์โดยใช้ AFM

สันนิษฐานว่าจำนวนของงานที่ทุ่มเทให้กับการประยุกต์ใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมในเคมีอินทรีย์จะยังคงเติบโต ในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากขึ้นพยายามที่จะทำซ้ำบนพื้นผิวของปฏิกิริยา นั่นคือ "เคมีในการแก้ปัญหา" ที่รู้จักกันดี แต่บางทีนักเคมีสังเคราะห์จะเริ่มทำซ้ำในสารละลายปฏิกิริยาเหล่านั้นซึ่งเดิมดำเนินการบนพื้นผิวโดยใช้ AFM

จากไม่มีชีวิตสู่การมีชีวิต

คานยื่นและหัววัดของกล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมไม่เพียงแต่สามารถใช้ได้สำหรับการศึกษาเชิงวิเคราะห์หรือการสังเคราะห์โมเลกุลที่แปลกใหม่ แต่ยังสำหรับการแก้ปัญหาที่ประยุกต์ใช้อีกด้วย กรณีของการใช้ AFM ในการแพทย์เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว ตัวอย่างเช่น สำหรับการวินิจฉัยโรคมะเร็งในระยะเริ่มต้น และที่นี่ผู้บุกเบิกคือคริสโตเฟอร์ เกอร์เบอร์ คนเดียวกันซึ่งมีมือในการพัฒนาหลักการของกล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมและการสร้าง AFM

ดังนั้น Gerber จึงสามารถสอน AFM เพื่อตรวจสอบการกลายพันธุ์ของกรดไรโบนิวคลีอิกในมะเร็งผิวหนัง (บนวัสดุที่ได้รับจากการตรวจชิ้นเนื้อ) ในการทำเช่นนี้ คานยื่นสีทองของกล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมได้รับการแก้ไขด้วยโอลิโกนิวคลีโอไทด์ที่สามารถเข้าสู่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลกับ RNA และยังสามารถวัดความแรงของปฏิกิริยานี้ได้ด้วยผลของเพียโซอิเล็กทริก ความไวของเซ็นเซอร์ AFM นั้นสูงมากจนถูกใช้เพื่อศึกษาประสิทธิภาพของวิธีการแก้ไขจีโนม CRISPR-Cas9 ที่ได้รับความนิยมอยู่แล้ว เป็นการรวบรวมเทคโนโลยีที่สร้างขึ้นโดยนักวิจัยรุ่นต่างๆ

การถอดความความคลาสสิกของทฤษฎีการเมืองข้อใดข้อหนึ่ง เราสามารถพูดได้ว่าเราเห็นความเป็นไปได้ที่ไร้ขีดจำกัดและความไม่สิ้นสุดของกล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู และแทบจะไม่สามารถจินตนาการถึงสิ่งที่อยู่ข้างหน้าซึ่งเกี่ยวข้องกับการพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้ต่อไป แต่แม้กระทั่งทุกวันนี้ กล้องจุลทรรศน์สแกนอุโมงค์และกล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมทำให้เรามีโอกาสเห็นอะตอมและสัมผัสพวกมัน เราสามารถพูดได้ว่านี่ไม่ใช่แค่การขยายดวงตาของเรา ซึ่งช่วยให้เรามองเข้าไปในพิภพเล็กของอะตอมและโมเลกุล แต่ยังรวมถึงดวงตาใหม่ นิ้วใหม่ที่สามารถสัมผัสพิภพนี้และควบคุมมันได้