თანამედროვე ტელესკოპების გამოყენებით დაფიქსირებული გვაქვს სინათლე, რომელმაც შორეული გალაქტიკებიდან ჩვენამდე მოსაღწევად 13.5 მილიარდი წელი იმოგზაურა. ამის მიუხედავად, უმცირესი მასშტაბების დანახვა ჯერ კიდევ გვიჭირს. რატომ ხდება ასე? ხომ შეიძლება, სპეციალური ლინზებით ატომები აღვბეჭდოთ?

პრობლემა ისაა, რომ ხილული სინათლის გამოყენებით ატომებს ვერასდროს დავინახავთ, რადგან ამ სპექტრის სხივების ტალღური სიგრძე (დაახლოებით 400-700 ნანომეტრი) გაცილებით დიდია, ვიდრე ატომის ზომა (დაახლოებით 0.1-0.3 ნანომეტრი). შედარებისთვის, ეკრანის პიქსელი ვერ აჩვენებს ობიექტს, რომელიც თავად ამ პიქსელზე პატარაა.

"ობიექტზე დასაკვირვებლად მისი ზომა დასანახად საჭირო სინათლის ტალღის სიგრძის მინიმუმ ნახევარი უნდა იყოს. მართალია, ხილული სინათლის ტალღის სიგრძე საკმაოდ მცირეა, თუმცა მაინც ატომზე ბევრად დიდია, რაც ამ უკანასკნელს უხილავს ხდის", — ვკითხულობთ პერდიუს უნივერსიტეტის ბლოგში.

ამის მიუხედავად, რენტგენის სხივებს ისეთი მცირე ტალღური სიგრძე აქვს (0.01-დან 10 ნანომეტრამდე), რომ ატომების გამოსახულების მისაღებად მათი გამოყენება შესაძლებელია.

"როდესაც რენტგენის სხივები კრისტალიზებულ მოლეკულას ეჯახება, ატომის გარშემო არსებული ელექტრონები რენტგენულ სხივს ამრუდებს ან გარდატეხს, რის შედეგადაც დიფრაქციული გამოსახულება წარმოიქმნება. ამისთვის კრისტალები გამოიყენება, რადგან ერთი მოლეკულისგან მიღებული ანაბეჭდი არასაკმარისი იქნებოდა. კრისტალში მრავალი იდენტური მოლეკულაა, რაც გამოსახულებას უფრო მკაფიოს ხდის", — წერია ბლოგში.

ატომებისა და მოლეკულების დასანახად ელექტრონებსაც იყენებენ. მცირე ზომასთან ერთად, მათ კიდევ ერთი უპირატესობა აქვს — ტალღისებური ბუნება. ელექტრონული მიკროსკოპია სწორედ ელექტრონების ტალღურ-ნაწილაკურ ორბუნებოვნებაზეა დაფუძნებული. ეს მახასიათებელი ამ მეთოდს მაღალი გარჩევადობის გამოსახულების მისაღებად განსაკუთრებულად ეფექტიანს ხდის.

მეცნიერები ელექტრონებს შესასწავლი ნიმუშის მიმართულებით მაღალი სიჩქარით გზავნიან და მათ ურთიერთქმედებას აკვირდებიან. როდესაც ამგვარი სხივი ობიექტში გადის, ელექტრონები ატომებთან სხვადასხვაგვარად ურთიერთქმედებს. ეს გაბნეული ელექტრონების ან რენტგენული სხივების სახით სიგნალებს წარმოქმნის, რომლების მიხედვითაც გამოსახულებები იქმნება. ფაქტობრივად, ატომის სტრუქტურა "ნათდება" და ხილული ხდება ის დეტალები, რომლებსაც შეუიარაღებელი თვალით ვერ დავინახავთ.

მეცნიერებმა ეს ტექნიკა სრულყოფილად აითვისეს. კორნელის უნივერსიტეტის გუნდმა ელექტრონული სკანირება და პტიქოგრაფია (ნიმუშის დიფრაქციული შრეების სკანირება) გააერთიანა, რის შედეგადაც ატომების ყველაზე მაღალი გარჩევადობის გამოსახულება შექმნეს.

აი, ისიც:

ეს სურათი ასახავს პრაზეოდიმის ორთოსკანდატის (PrScO₃) კრისტალს, რომელიც 100 მილიონჯერაა გადიდებული. ამ შთამბეჭდავი მიღწევის მიუხედავად, ატომური გამოსახულების რეზოლუციის უფრო მეტად გაუმჯობესება თითქმის შეუძლებელია.

"ეს უბრალოდ ახალი რეკორდი არ არის. ჩვენ, ფაქტობრივად, გარჩევადობის უკიდურეს ზღვარს მივაღწიეთ. ახლა ატომების მდებარეობის განსაზღვრა ძალიან მარტივად შეგვიძლია, რაც სასურველი დაკვირვებებისთვის უამრავ ახალ შესაძლებლობას ხსნის", — განაცხადა კორნელის უნივერსიტეტის ინჟინერიის პროფესორმა, დევიდ მიულერმა, 2021 წელს.

არსებობს ელექტრონზე უფრო მცირე ნაწილაკებიც, მაგრამ ატომების გამოსახულების მისაღებად მათი გამოყენება შეუძლებელია. მაგალითად, ნეიტრინოები მატერიასთან ძალიან სუსტად ურთიერთქმედებს, ამიტომ ამ ნაწილაკების დაფიქსირებაც კი რთულია. შესაბამისად, ნეიტრინოების დახმარებით ატომის სტრუქტურასაც ვერ აღვბეჭდავთ.

მეცნიერებს სრულიად ახალი მეთოდების შემუშავება მოუწევთ, თუ სურთ, რომ კიდევ უფრო მცირე მასშტაბებში დაინახონ.