Jak wyglądają atomy w rzeczywistości? Tego się nie spodziewasz

Atom – niemal każdy przynajmniej w pewnym stopniu zdaje sobie sprawę z tego, jak ten wygląda. Zapewne w przeszłości miałeś okazję zobaczyć jego rysunek w książce od chemii czy fizyki lub też w Internecie. Niemniej, rysunek to jedno, a rzeczywistość to drugie. No właśnie, jak atom prezentuje się w rzeczywistości? Teraz możesz się o tym przekonać za sprawą zdjęcia wykonanego przez naukowców z Uniwersytetu Cornella.

Wyjątkowa fotografia

Wspomniane zdjęcie naukowców z Uniwersytetu Cornella to najwyraźniejsze zdjęcie atomów, jakie kiedykolwiek wykonano. Za sprawą nowych algorytmów redukujących szumy obraz ten ma tak wysoką rozdzielczość, że, jak twierdzi zespół, prawie osiąga ostateczny możliwy limit.

Omawiana fotografia atomów została wykonana w krysztale ortoskandanu prazeodymu (PrScO3), przy mikroskopowym powiększeniu wynoszącym 100 milionów razy. Atomy są na niej wyraźnie widoczne jako jasne kropki otoczone czerwonymi „chmurami”. Zdaniem naukowców chmury te rozmywają się w wyniku drgań samych atomów.

Zasługa zaawansowanej technologii

Zdjęcie atomów zostało wykonane na drodze ptychografii elektronowej. Polega ona na skanowaniu wzorców rozpraszania się elektronów na docelowym materiale. W sumie w jej ramach wykonuje się kilka różnych skanów, których zasięg częściowo się nakłada. Wykrywając zmiany w obszarach, które się nakładają, badacze są w stanie z dużą dokładnością odkreślić kształt obiektu, który wytworzył wzorce.

Zdjęcie wykonane przez uczonych z Uniwersytetu Cornella, przedstawiające atomy w rekordowej rozdzielczości. | Źródło: Uniwersytet Cornella

Detektor, który użyto do zastosowania wspomnianej techniki – EMPAD (ang. electron microscope pixel array detector), skanując wykorzystuje rozmytą wiązkę. Ma to na celu uzyskanie szerszego zakresu danych. Następnie rozmycie jest korygowane z pomocą szeregu algorytmów, które rekonstruując dane i ostatecznie tworząc obraz o rozdzielczości w skali piktometrów.

„Dzięki tym nowym algorytmom jesteśmy w teraz w stanie skorygować wszystkie rozmycia naszego mikroskopu do tego stopnia, że największym czynnikiem rozmywającym, jaki pozostawiliśmy, są same drgania atomów, ponieważ to właśnie dzieje się z atomami w dodatniej temperaturze.”, powiedział David Muller, jeden z badaczy. „Kiedy mówimy o temperaturze, tak naprawdę mierzymy średnią prędkość drgań atomów.”

Być może w przyszłości uczeni spróbują wykonać zdjęcie atomów, próbując ograniczyć rozmycie spowodowane drganiami. Można to zrobić na kilka sposobów – wybierając cięższe atomy, które drgają mniej, czy też schładzając próbki do zera absolutnego. Niemniej, nawet wtedy fluktuacje kwantowe w pewnym stopniu doprowadziłyby do rozmycia obrazu.

Źródło: Uniwersytet Cornella, fot. tyt. Canva