Z kamerą w nanoświecie

« powrót

Nowy rodzaj mikroskopii pozwala sfilmować wnętrze żywej komórki lub działanie nanomaszyny.

AHMED H. ZEWAIL

Nasz wzrok nie jest doskonały. Nie potrafimy zobaczyć obiektów znacząco cieńszych od ludzkiego włosa (o grubości kilka setnych milimetra) ani rozróżnić stadiów ruchu trwających krócej niż mrugnięcie (jedna dziesiąta sekundy). Oczywiście dzięki postępom w optyce i mikroskopii dokonanym w ciągu ostatniego tysiąclecia sięgamy poza ograniczenia nieuzbrojonego oka, uzyskując na przykład wspaniałe obrazy wirusa albo stroboskopowe zdjęcie pocisku w milisekundzie, w której uderza on w żarówkę. Ale jeszcze niedawno, oglądając na filmie drgające atomy, bez wahania powiedzielibyśmy, że to animacja - wizja artysty albo wynik jakichś symulacji.
W ciągu ostatnich 10 lat mój zespół z California Institute of Technology opracował nową metodę obrazowania, która uwidacznia ruchy zachodzące w skali atomów i femtosekund (1 fs = 10-15 s). Ponieważ technika ta umożliwia prowadzenie obserwacji w przestrzeni i czasie, a wywodzi się z doskonale znanej mikroskopii elektronowej (EM), nazwałem ją czterowymiarową (4-D) mikroskopią elektronową. Dzięki niej zobaczyliśmy już takie zjawiska, jak drgania dźwigni o szerokości nanometrów, falowanie warstw atomów węgla w graficie uderzonym impulsem laserowym, a także przemianę fazową. Oglądaliśmy również pojedyncze cząsteczki białka oraz komórki.
Opracowanie tej formy mikroskopii daje nadzieję na rozwiązanie wielu problemów z różnych dziedzin - od inżynierii materiałowej po biologię, pozwalając określić korelację pomiędzy strukturą atomową materiałów a ich właściwościami makroskopowymi, mechanizm działania nano- i mikromaszyn (NEMS i MEMS) i wreszcie przebieg zwijania białek i organizowania się zbiorów biomolekuł w większe struktury kluczowe dla działania żywych komórek. Niewykluczone, że umożliwi także zobaczenie układu atomów w nanostrukturach (co determinuje właściwości nanomateriałów), a nawet śledzenie ruchu elektronów w atomach oraz cząsteczkach w skali attosekund (1 as = 10-18 s). Wraz z rozwojem badań podstawowych poszerzy się krąg potencjalnych zastosowań, chociażby o projektowanie nanomaszyn oraz opracowanie nowych leków.

ATOMY I SPADAJĄCE KOTY
mikroskopia 4-d to ultranowoczesna metoda bazująca na zaawansowanej technice laserowej i koncepcjach z fizyki kwantowej. Niemniej niektóre zasady jej działania można wyjaśnić, odwołując się do rozwiązań fotografii poklatkowej sprzed ponad 100 lat.
W ostatniej dekadzie XIX wieku Étienne--Jules Marey, profesor Coll?ge de France, badał szybko poruszające się obiekty, umieszczając między nimi a płytą fotograficzną wirujący dysk ze szczelinami. Dzięki temu uzyskiwał ciąg obrazów podobnych do klatek filmu ze współczesnej kamery.
Mareya interesowało m.in. to, w jaki sposób spadający kot potrafi obrócić się tak, że ląduje na czterech łapach. Jak to możliwe, że, nie mając w powietrzu żadnego punktu oparcia, instynktownie wykonuje odpowiednie akrobacje i nie łamie praw Newtona? Upadek i machanie łapami trwają mniej niż sekundę - o wiele za krótko, aby gołym okiem dostrzec, co się dokładnie dzieje. Poklatkowe zdjęcia Mareya wyjaśniły to zjawisko - kot skręca przednią i tylną część ciała w przeciwne strony, przy czym jedna para łap jest wyprostowana, a druga podkurczona. Podobne techniki ćwiczą skoczkowie spadochronowi, tancerze oraz astronauci, by wykonywać obroty.
Innym rozwiązaniem technicznym jest fotografia stroboskopowa, która dzięki zastosowaniu serii krótkich błysków światła umożliwia zatrzymanie w kadrze dużo szybszych procesów, niż na to pozwala migawka mechaniczna. Błysk sprawia, że obiekt poruszający się w ciemności na moment staje się widoczny dla detektora - ludzkiego oka lub płyty fotograficznej. Przełomu w tej dziedzinie dokonał w połowie XX wieku Harold Edgerton z Massachusetts Institute of Technology, konstruując układy elektroniczne wytwarzające całkowicie powtarzalne, mikrosekundowe błyski światła.

Dokończenie we wrześniowym numerze Świata Nauki.