Ученые впервые получили трехмерные голографические изображения сложных молекул, детализированные до уровня отдельных атомов - «Наука и технологии»

Исследователи из Технологического университета Дортмунд и Института физики микроструктур Макса Планка, Германия, разработали новую технологию съемки, которая позволяет получить трехмерное голографическое изображение внутренних частей сложных молекулярных структур, детализированное до уровня отдельных атомов. До последнего времени самые широко распространенные методы съемки, включая сканирующую туннельную микроскопию, могли просматривать лишь поверхность молекул, а способность проникновения вглубь молекулярных структур и способность видеть все атомы дает людям беспрецедентные возможность в деле понимания уникальных физических и химических свойств уже известных материалов и в разработке новых материалов.

До последнего времени на свете не существовало прямых методов исследования внутренностей молекул. Поэтому точное местоположение атомов в большинстве молекул могло быть определено лишь косвенными методами или рассчитано теоретически. Такая нехватка экспериментальной информации о реальном расположении атомов служила препятствием в определении взаимосвязей между структурой молекулы и ее различными свойствами. Ранее исследователи уже пытались "влезть вглубь" молекул при помощи голографических методов, но все эти попытки увенчались лишь частичным успехом. Максимум чего удалось добиться ученым, это были изображения, на которых присутствовало до 10 атомов.

Новый метод голографической съемки является симбиозом сразу нескольких улучшенных методов, использовавшихся ранее. Его использование позволяет полностью избавиться от артефактов на изображениях, он предоставляет возможность делать снимки тысяч атомов одновременно и позволяет отличить друг от друга атомы различных элементов.
Новый голографический метод работает за счет эффекта рассеивания луча электронов атомами, входящими в состав молекул. Высокочувствительные датчики регистрируют различия между испускаемым специальным источником и рассеянным атомами потоком электронов. Это, в свою очередь, позволяет получить дифракционную картину и по ней восстановить трехмерное голографическое изображение, демонстрирующее истинное местоположение каждого атома.

Основной проблемой, решение которой позволило ученым реализовать новый метод съемки, было использование лучей электронов, имеющих более высокую энергию, несколько тысяч электрон-вольт по сравнению с несколькими сотнями. Такое более высокоэнергетические лучи могут быть сфокусированы в виде более узкого конуса, что позволяет уменьшить нежелательное рассеивание и избежать появления артефактов.

Несмотря на то, что единственный дифракционный образ уже заключает в себе информацию, достаточную для получения трехмерного изображения, ученые улучшают качество получаемых изображений, просчитывая и накладывая друг на друга порядка 20 первичных изображений, что позволяет почти полностью подавить все фоновые шумы и помехи.

Немецкие ученые считают, что разработанный ими новый метод получения снимков внутренностей молекул и кристаллов послужит не только весомым дополнением к ряду уже существующим методов съемки. Знание точного местоположения отдельных атомов внутри молекулы способно обеспечить скачкообразное продвижение сразу в нескольких областях науки и техники, включая биологию, медицину, материаловедение и т.п.