Stručnjaci kompanije IBM su snimili prvu sliku rasporeda naelektrisanja u molekulu

Naučnici koriste specijalnu verziju metode mikroskopije atomskih sila (MAS) pri niskim temperaturama i u vakuumu da otkriju (i prikažu) raspored naelektrisanja unutar pojedinačnog molekula.

Poslednjih dana februara ove godine (27. 2. 2012.) istraživački tim kompanije IBM (Cirih, Švajcarska) je objavio rezultate merenja naelektrisanja i njihove distribucije u okviru jednog molekula.  Vest predstavlja značajan napredak u oblasti mikroskopije. Isto važi i za samu nauku.

Najkraće rečeno, zbog ovog otkrića, možemo videti i bolje razumeti kako nastaju i funkcionišu pojedinačne veze unutar molekula. Samo istraživanje pomera granice i mogućnosti u raznim naučnim i inženjerskim oblastima, kao što su: skladištenje energije, konverzija sunčeve energije i projektovanje kompjuterskih uređaja veličine molekula.

Naučnici Fabian Mon, Leo Gros, Nikolaj Mol i Gerhard Majer (Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll i Gerhard Meyer) su objavili svoje istraživanje u žurnalu Nature Nanotechnology.

„Ovaj rad prikazuje novu, važnu mogućnost da se direktno izmeri kako se naelektrisanja raspoređuju unutar pojedinačnog molekula“, tvrdi Mikael Kromi (Michael Crommie), profesor na odseku za fiziku pri univerzitetu u Kaliforniji u Berkliju. „Ako smo u stanju da razumemo kako se naelektrisanja raspoređuju po molekulu to, onda, predstavlja osnovno znanje u našem boljem razumevanju ponašanja molekula u različitim okruženjima. Očekujem da će ovo otkriće doneti znatna unapređenja u naučnim oblastima gde se preklapaju fizika, hemija i biologija“.

Nova tehnologija nam pruža komplementarne informacije o molekulima, i na nama je da izaberemo šta želimo prikazati. Ona najviše podseća na vrlo slične medicinske tehnike kao što je X-zračenje, ultra zvuk ili MRI (magnetna rezonanca), koje su u stanju da daju različite informacije o zdravstvenom stanju i anatomiji pacijenta.

Rad se može iskoristiti (kao osnova) za dalje proučavanje prenosa naelektrisanja, sa molekula na molekul.

 „Ova tehnika nam omogućava još jedan način da dođemo do informacija koje će nam još više pomoći da bolje razumemo fizičke pojave koje se dešavaju na nivou 1 nano metra i manje. Ovakvo znanje je suštinsko, ako želimo, u budućnosti, da napravimo uređaje veličine molekula ili atoma.“ objašnjava Fabian Mon, istraživač pri laboratoriji za nano fiziku u sklopu kompanije IBM.

Pogled izbliza

Da bi izmerili distribuciju naelektrisanja, istraživači IBM-a su iskoristili noviju verziju MAS metode nazvanu KPFM (Kelvin probe force microscopy). Reč probe u prethodnoj rečenici se odnosi na pojam probne sonde, koja se koristi u metodi.

Kada se pomenuta probna sonda stavi iznad provodnog uzorka, stvara se električno polje zbog razlike u električnim potencijalima na vrhu same sonde i samog materijala. Sa KPFM metodom, nastala razlika u potencijalima se može meriti tako što se iskoristi struja određene voltaže koja će kompenzovati (neutralisati) nastao potencijal. Na taj način, metoda ne meri direktno naelektrisanje molekula, nego meri električno polje nastalo zahvaljujući tom naelektrisanju. Nastalo polje je jače nad delovima molekulima koja su naelektrisani, što merni uređaj pokazuje kao jači signal. Sem toga, suprotno naelektrisanje (suprotan znak) pokazuje drugačiji kontrast, što ukazuje kakvog je naboja polje – pozitivnog ili negativnog. Tako se pojavljuju tamna i svetla područja na mirkografu.

Prostorni raspored molekula naftalocijanina

Naftalocijanin (C48H26N8), organski molekul prostornog rasporeda poput krsta, koji u IBM-u koriste kao najmanji logički prekidač, se pokazao kao idealni kandidat za istraživanje. On se sastoji od dva vodonikova atoma smeštena u sredinu molekula, a ostatak čine atomi azota i Benzenovi prsteni. Ukupna veličina molekula je 2 nano metra. Dva centralna atoma vodonika mogu kontrolisano menjati svoje dve, različite konfiguracije (prostorni rasporedi). To se postiže pomoću određenog naponska impulsa. Promena mesta vodonikovih atoma utiče na promenu rasporeda naelektrisanja u samom molekulu.

Koristeći KPFM metodu, naučnici su uspeli da snime različite rasporede naelektrisanja za obe konfiguracije. Eksperiment i samo merenje je trajalo nekoliko dana i da bi se postigla pod atomska rezolucija slike, bilo je neophodno da se obezbede određeni toplotni i mehanički uslovi. Kada se ovo kaže, najviše se insistira na stabilnosti uslova, da su praktično nepromenjeni tokom sprovođenja merenja. Sem toga, od uređaja koji su merili, zahtevana je preciznost na nivou jednog atoma.

Sem toga, eksperiment je poboljšan dodavanjem jednog molekula ugljen monoksida (CO) na sam vrh probne sonde. Time je poboljšana rezolucija dobijene slike. Još 2009. godine isti tim istraživača je pokazao da je karbonizovanjem sode moguće prikazati hemijske strukture primenom standardne MAS metode. Teoriju, koja je omogućila pomenuti eksperimentalni rezultat su razvili članovi istraživačkog tima Fabian Mon i Nikolaj Mol.

Rezultati rada su ilustrovani slikama i fotografijama koji se mogu naći na Flick-u.

Prve slike na svetu koje pokazuju kretanje atoma u molekulu

Istraživači pri državnom univerzitetu u američkoj državi Ohajo (Ohio) su uspeli da naprave prve slike atoma koji se kreću u molekulu!

Koristili su novu tehnologiju, koja, na neki način, pretvara elektrorne unutar molekula u svojevrsne bliceve ili fleš lampe. Na trenutak osvetljavajući molekul, ovi elektoni omogućavaju da se zaviri u njegovu unutrašnjost. Ceo metod pravljenja slika omogućava da se na novi način sagledaju molekuli, ali se naučnici nadaju da će im ovaj novi uvid u  izlgled molekula omogućiti da vrlo diskretno i precizno upravljaju hemijskim reakcijama na atomskom nivou.

Izvor: Gizmodo

 

Elektronski paparazo – sistem koji će fotografisati elektrone tokom akta interakcije sa drugim česticama

U radu publikovanom u jednom od skorašnjih izdanja Nature of Photonics,  internacionalni tim (što je za svaku pohvalu) istraživača je objavio da su napravili značajan iskorak napred u proučavanju fizike elektrona. Sa ovim radom, deluje, da je naučna javnost za korak bliža vrlo zanimljivoj mogućnosti da se naprave efektivni video snimci pojedinačnih elektrona. Nivo mogućnosti koje se naziru je jednak onom kada jednom sa običnog vida ili sočiva pređete na optički mikroskop. Neki bi, jednostavno, rekli: progledao sam…

Šematski prikaz novog dizajna lasera koji će emitovati ultra kratke pulseve svetlosti. Svetlosni talasi različitih frekvencija (crveni i zeleni) su kombinuju u novi talas (žuti), koji prolazi kroz gas (plave tačkice). Svetlost pobuđuje atome gasa, koji, onda ispuštaju višak energije kao svetlost koja poseduje još veću frekvenciju.

Ako se ispostavi da je pristup dobar, to će praktično značiti da će naučnici biti u stanju da istražuju elektrone i njihove interakcije sa, do sada, neverovatnim nivoom detalja. To znači, sa aspekta hemije, da će jedan hemičar moći da posmatra reakciju pojedinačnih molekula. Slično važi za sve grane nauke i tehnologije koje se baziraju na saznanjima koja im pruža hemija.

Grupa istraživača je dosta velika i, samo, 8 njih je sa univerziteta MIT, iz elektronske istraživačke laboratorije ili Research Laboratory of Electronics (RLE). Tehnika koja bi omogućila ovako detaljan pogled u svet elektrona i molekula se bazira na korišćenju lasera. Osnovni koncept podrazumeva da se može proizvesti laserski snop koji bi trajao 1 atosekundu (attosecond), što predstavlja 1 milijarditi deo milijarditog dela sekunde, ili ako vam je teže da zamislite, evo i drugog zapisa: 10-18s. Tu već dolazimo do malog problema: najkraće izmereno vreme je „samo“ 100 atosekundi. Vratimo se laserima i da vidimo zašto je atosekunda toliko važna. Na primer, elektron u vodoniku (H2) obavi jednu revoluciju oko jezgra (jedna krug) za nekih 151 atosekundi. Da bi smo ga uhvatili kako „opšti“ nije nam dovoljan vremenski interval od 100 atosekundi, mora biti barem jedan red veličina manji, ako ne i dva. I taman toliko je atosekunda manja, za dva reda veličina. Kroz brojeve bi to bilo:

Za 151 atosekundu elektron obrne ceo krug ili 360°.

To znači da je potrebno za pola kruga oko 75 atosekundi.

Elektronu je, onda, potrebno 360 : 151 = 2.384 atosekundi da prebriše ugao od jednog stepena.

Dakle, puls od  jedne atosekunde je više nego dobrodošao.

„Ako možete stvoriti puls koji ima kraće trajanje, onda možete da ispitate dinamiku koja se odvija na toj skali“, kaže Franz Kartner (Franz Kaertner), profesor sa odeljenja za elektronski inženjering i kompjuterske nauke, koji je, inače, vodio celo istraživanje. „Ovo nas povezuje sa radom Harolda Edgertona (Harold Edgerton)“, u kome je on bio sposoban da napravi, sa optičkom fotografijom, snimke čije je trajanje bilo mereno u mikro i nano sekundama.“

Da, atosekundni pulsevi lasera su bili mogući i ranije, ali nisu imali dovoljnu jačinu, koja je potrebna za tzv vremensku spektroskopiju, tehnika koja se, tipično, koristi za merenje dinamike elektrona. Novi pristup stvaranju ovih laserskih pulseva, ne samo da će omogućiti veću snagu, nego i jednostavniju aparaturu, što je čini još praktičnijom nego ranije. Deluje kao kombinacija u kojoj svi dobijaju…

Mnogostrukost

Da bi se dobio izuzetno kratki puls svetlosti, neophodno je kombinovati svetlosne talase različitih frekvencija. Talas se može prikazati kao izvijena linija koja u pravilnim razmacima dostiže stalno istu tačku, gde je frekvencija, u stvari, „rastojanje“ između tih dvaju izbočina. Kada kombinujemo dva talasa, on se pojačava tamo gde se ove „izbočine poklapaju“, ali ako nema tog poklapanja dolazi do suprotnog efekta – međusobno se poništavaju. Sa pravom kombinatorikom moguće je napraviti novi talas sa radikalno drugačijom oblikom.

Crni talas je rezultat sabiranja plavog poketnog talasa i žućkastog neporetnog talsa

Drugi naučnici su pokušali da naprave kratke pulseve svetlosti kombinujući laserske zrake, ali su koristili za svaki zrak po jedan laser. Takav pristup u mnogome otežava proces sinhronizacije zrakova, u pokušaju da se njihove amplitude poklope na željeni način. Istraživači iz RLE odseka i njihove kolege sa univerziteta u Sidneju, politehničkog univerziteta u Milanu i hamburškog univerziteta su, umesto toga, provukli jedan laserski zrak kroz kristal koji ga deli na zrake sa različitim frekvencijama. Pošto su zraci iz istog izvora, oni ostaju i dalje savršeno sinhronizovani.

Sve kraće i kraće

Opisana tehnika, daje vrlo kratke laserske pulseve svetla, ali i dalje nisu na nivou atosekunde. Sledeći korak je propustiti dobijene pulseve kroz gas.  Kada čestice laserskog snopa – fotoni – udare u atome gasa, oni bivaju apsorbovani (uobičajena interakcija atoma i fotona), ali se odmah posle apsorpcije desi i proces ponovnog emitovanja novog fotona. Ovi poslednji, ponovo emitovani, fotoni mogu imati frekvencije koje mogu biti mnogo puta veće od onog fotona koji je udario u atom. Veće frekvencije znače još kraće pulseve svetlosti.

Međutim, RLE istraživači još nisu sproveli poslednji korak. Za sada, oni provlače laserski zrak kroz dva pojačavača da bi mu povećali energiju, ali i dalje ima potrebe za dodatnom energijom da bi izazvao dovoljno visoko frekventne fotone iz interakcije sa gasom. Dodavanje još jednog pojačavača bi trebalo da reši energetski problem, ali to, trenutno, uspostavlja dodatne tehničke i inženjerske probleme koji se moraju rešiti.

Jan Valmsli (Ian Walmsley), profesor fizike sa Oksfordskog univerziteta i vođa univerzitetske grupe koja se bavim kvantnom optikom (Ultrafast Quantum Optics Group), kaže da je modularnost pristupa ove grupe istraživača najveća prednost. „Pametan dizajn koji primenjuju Franz i njegove kolege koristi mogućnost da sve komponente rade u sinhronom režimu.“, tvrdi Valmsli. „Ovaj novi pristup, mislim da je vrlo važan jer, u principu, omogućava generisanje mnogo većih energija u tim kratkim pulsevima.“

Valsmli, doduše, sumnja da taj poslednji gasni korak u proizvodnji dovoljno kratkih pulseva svetlosti „neće biti jednostavan.“ Ali, odmah dodaje: „Postoje aspekti ovog pristupa problemu koji obećavaju. Može se pokazati kao izazov za sebe postići sve kraće i kraće impulse, ali mislim, da je moguće izvesti.“

Ok, i čemu sve to?

Recimo, na primer, da ne znamo mnogo o molekulima, atomima i elektronima. Krenimo samo od toga da se elektroni vrte oko jezgra. Zamislimo sada da je to isto kada bismo uzeli neki satelit i postavili ga da se okreće oko planete Zemlje. Ono što je problem naučnicima, još uvek, je činjenica da oni ne mogu da vide elektron kako se tačno kreće, jer je mnogo brz. Ako se vratimo na primer sa Zemljom to bi, sa bilo koje distance, izgledalo kao da naša planeta ima prsten poput onih koji se nalaze oko Saturna, jer se taj virtuelni satelit užasno brzo kreće.

Sada, sa novim metodama, elektron više nije tako brz, tačnije, on se i dalje kreće istom brzinom, ali naša kamera je sada „brža“ od njega. Prva dobra stvar – elektron će još biti opipljiviji, kao materijalni objekat. Drugo, njegova putanja će biti, teoretski, oslikana direktno, korak po korak.

Doduše, ostaje pitanje, šta se dešava sa definicijom elektronskih orbitala koja se mogla dosta često čuti i tokom školovanja:

„Orbitale su najverovatnije putanje na kojima se nalaze elektroni…“

Ako priča o laserima znači da će u prethodnoj rečenici reč najverovatnije biti zamenjena sa sigurno, to je za naučni svet, najverovatnije 🙂, veliki korak u istraživanju sveta elementarnih čestica.

Herschel teleskop je otkrio molekularni kiseonik

Pasadena, Kalifornija – Veliki teleskop Herschel opservatorije i najnoviji infracrveni detektori su nam podarili prve, potvrđene nalaze molekula kiseonika u svemiru. Molekuli su otkriveni u zvezdanom sistemu Orion.

Pojedinačni atomi kiseonika su uobičajeni u svemiru, pogotovo oko masivnih zvezda. Međutim, molekuli kiseonika, koji čine 20% vazduha na Zemlji, nisu nađeni – do sada.

„Kiseonik je otkriven tokom sedamdesetih godina XVIII veka, ali trebalo je sledećih 230 godina da se sa sigurnošću kaže da ovaj jednostavni atom postoji i u svemiru.“ Kaže Pol Goldsmit (Paul Goldsmith), vođa projekta Herschel, pri agenciji NASA u okviru laboratorije za mlaznu propulziju, pogon, stacioniranoj u Pasadeni, Kalifornija. Goldsmit je vodeći autor skorašnjeg rada koji opisuje najnovija otkrića u časopisu Astrophysical Journal. Herschel je projekat Evropske svemirske agencije (ESA), uz veliku podršku NASE.

Herschel teleskop je našao molekule kiseonika (O2) u gustoj traci gasa i u prašini u blizini zone stvaranja nove zvezde unutar Orion nebule. Izvor: ESA/NASA-JP –Caltexh

Astronomi su tražili „skrivajuće“ molekule u svemiru, decenijama, koristeći balone i teleskope, stacionirane na zemlji i u svemiru. Pre 4 godine švedski teleskop Odin je primetio neke molekule, ali nije došlo do potvrde tog otkrića.

Goldsmit i njegove kolege sugerišu da je kiseonik zarobljen u zaleđenoj vodi, koja oblaže sitna zrnca prašine. Oni smatraju da kiseonik otkriven od strane Herschel teleskopa unutar Orion nebule bio formiran kada je svetlost zvezde zagrejala ledene čestice, oslobađajući vodu, koja je potom pretvorena u molekule kiseonika.

„Ovo objašnjava gde se krije nešto kiseonika.“, tvrdi Goldsmit. „I dalje nismo našli veću količinu ovog gasa u molekularnom obliku, i još uvek ne razumeo šta je posebno sa mestom u svemiru gde smo ga otkrili. Svemir, i dalje, ima mnogo tajni.“

Istraživači planiraju da i dalje traže molekule kiseonika u svemiru, pogotovo u oblastima gde se formiraju nove zvezde.

„Po zastupljenost u svemiru, kiseonik je treći po redu i očekivano je da je njegov molekularni oblik vrlo zastupljen.“ Kaže Bil Danči (Bill Danchi), naučnik u Herschel projektu pri agenciji NASA u glavnom štabu u Vašingtonu (Washington).  „Herschel se pokazao kao vrlo važno oruđe u istraživanju ove misterije. Opservatorija nudi inovativno oruđe za pregled novog seta talasnih dužina gde bi se mogla otkriti jazbina u kojoj se krije molekularni kiseonik.“

Herschel je misija Evropske Svemirske Agencije koja simboliše ponovni start, reset, u upoznavanju svemira. Instrumenti upotrebljeni u ovom projektu su obezbeđeni od strane konzorcijuma Evropskih instituta. NASA, kao agencija, je uložila svoju tehnologiju za dva od tri najvažnija instrumenta u projektu.

Ovo otkriće može biti, tek, početak novih značajnih otkrića koje će jednog dana dovesti do toga da svemir bude naša riznica sirovina, na izgled, nepresušna. Kada kažem mi, mislim na čovečanstvo u budućnosti, koje neće trovati sebe i ostatak života na planeti, neće samog sebe ubijati, neće jarmiti ostatak svemira, neće više pričati o profitu, neće… dodajte sami. Verujem da lista ne bi bila kratka.

“Plašt“ nanočestica otkriva tumor

Nauka, kao način upoznavanja sveta oko nas, je klasifikovana i podeljena u veće segmente zarad našeg lašeg snalaženja u moru znanja. Bez obzira na tu činjenicu, najbolje od nauke dobijamo kada sklonimo sve te granice i korisno upotrebimo saznanja koja, na prvi pogled, nemaju mnogo značajnog.

Istraživači sa MIT-a (Massachusetts Institute of Technology) u Americi, su se pozabavili primenom nanočestica u medicinske svrhe. Tumori, bilo kog tipa, dele među sobom jednu osobinu koja se može lepo iskoristiti – svi su kiselijeg sastava nego zdravo tkivo.

Nanočestice, koje bi nosile bio koji tip leka, bi mogle koristiti ovu osobinu prilikom pronalaženja tumora u organizmu. Ovaku ideju zastupa Paula Hammond, član David H. Koch Instituta za istraživaje raka (tumora) pri MIT-u. Ona je ujedno i autor rada, koji opisuje pomenute čestice, koji je objavio ASC Nano.

Poput ostalih nanočestica, koje se koriste za transport lekova kroz organizam, i ove su zaštićene „plaštom“ koji ih štiti od razgradnje u našem krvotoku. Dodatak postojećem plaštu je njegova rekacija prilikom kontakta sa kiselijom sredinom. Kada se nanočestica nađe u takvoj sredini, tada se spoljni sloj plašta „skine“ sa čestice, što je ujedno znak da se „transporter“ leka nalazi u blizini tumora. Autor ove ideje je i vođa MIT tima koji je izveo ovaj ekpsriment je Zhiyong Poon.

Sada, dovoljno blizu tumora, nanočestica ima još jedan zaštitni sloj koji je sposoban da uđe, tačnije, prodre u pojedinačnu ćeliju ciljanog tumora. Objavljeni rad tvrdi da su u čestice opstale u krvotoku miša 24 časa, okupile u zoni tumora i ušle u njegove ćelije.

Prava meta

Ovaj pristup se razilkuje od dosadašnje prakse. Tipičan pristup bi podrazumevao „ukrašavanje“ samog tumora molekulima koji se vezuju za proteine koji se mogu naći na površini ćelija raka. Problem ovog pristupa je u pronalaženju prave mete, tačnije, molekula koji se nalazi samo u ćelijama raka i nigde više, po celom organizmu. Sem toga, traženje ovakve, posebne mete (molekula unutar tumora) nije univerzalno za sve tumore, stoga, i ako je metoda efikasna, traži stalnu korekciju, prilogađavanje, od tumora do raka. Greška u proceni mete može dovesti do potpunog promašaja tumora, ili gore, da lek izazove štetu na zdravom tkivu zbog pogrešnog markiranja.

Umesto toga, Hammond tim je odlučio da iskoristi kiselost tumora kao univerzalni pokazatelj, što je posledica njegovog ubrzanog metabolizma. Ćelije tumora se brže razvijaju i dele od normalnih ćelija, i ti procesi zahtevaju znatno više kiseonika, koji svojim prisustvom povećava kiselost sredine. Što je tumor veći, to je tkivo sve više kiselo.

Kada su nanočestice u pitanju, njihova izgradnja se sprovodi u slojevima. To omogućava da svaki od slojeva ima posebnu funkciju. Redom, svaki od tih slojeva, kada jednom izvrši svoj zadatak biva uklonjen, sve dok lek ne dođe do zaraženog mesta.

Prvi plastični sloj (sastavljen od polietilenskog glikola ili PEG) se razlaže u kisleom okružeju tumora, i ujedno se otkriva srednji sloj, koji je pozitivno naelektrisan. Ovo naelektrisanje pomaže u savladavanju sledeće preprke – ćelijske membrane samog tumora. Sam prolaz kroz membranu nije lak posao, ali pošto ona negativno naelektrisana, sve pozitivno naelektrisane čestice mogu lakše prodreti kroz nju. Platični plašt, koji je već otpao, je imao još jednu ulogu: da zaštiti organizam od naelektrisanja srednjeg sloja.

Poslednji sloj može da sadrži polimer koji nosi lek ili, možda, kvantnu tačku, koja se može iskoristi za  stvaranja detaljne slike određenog dela tela, na ćelijskom nivou.

Ovo nije jedini pokušaj da nanočestice iskoriste kiselost tumora za njegovu detekciju, ali je prvi koji koji je uspešno sproveden na živim organizmima.  Ostali Istraživači, koji se bave sličnim istraživanjima su ubeđenja da je ovaj ekpriment potvrda „lukavosti“ pristupa po ravnima, slojevima.

Predstoji dalji razvoj ovih nanočestica, i očekuje se istraživanje od 5 do 10 godina, pre nego što se ovaj metod iskoristi u medicini čoveka. Na redu su ostale životinje, jer se pokazalo da ovaj sistem radi na miševima u laboratoriji.

Hammond i njen tim su započeli rad na nanočesticama koje imaju više „punjenja“. U praksi to bi značilo da bi svaki sloj imao neku vrstu, svog, punjenja koje bi dodatno pojačalo uticaj leka. Spoljašnji PEG sloj bi svojom razgradnjom ispustio lek ili gen koje bi učinio ćelije raka još više osetljive (čitaj: ranjive) na lek koji bi se nalazio unutar poslednjeg sloja nanočestice.

Kada pomislim malo bolje… ovo je približno principu paljenja termonuklearne bombe. Brrrrr….

Kako god bilo, ako ovakava isporuka leka zaživi, ako ništa drugo, lečenje tumora ne bi imalo sekundarne posledice, ili drugačije rečeno – ne bi bilo koleteralne štete.

Međutim, po svemu što znamo, ovakav pritup je protiv profita, potpuno:

Molim lepo, kakav je to lek koji te izleči od bolesti, bez ikakvih drugih posledica!? Moraju naši lekovi da se koriste, a ne da se skladište. Od skladištenja nema para… daj mi taj aspirin, boli me glava od ludih naučnika…

:S