Структура воды под микроскопом
Олег, спасибо огромное за ответ, в принципе все понятно, хочу вам отправить описание микроскопа и наши физики утверждают что с помощью него можно видеть изменение структуры воды за счет изменения строения молекул и атомов воды (например вращение электронов в другую сторону).Что вы об этом думаете? Мне интересно ваше мнение, так эксперимент по Волге будет проходить именно в этом направлении а вот для того чтобы зафиксировать результат достаточно быстро, я пока ни у кого (Эмото это будет делать с помощью замораживания, С г-ном Коротковым мы пока общались мало но он согласен быть там же)не увидела. Спасибо огромное!
Елена
Уважаемая Елена,
Для того чтобы исследовать механизмы кристаллизации воды и формирование снежинок можно использовать простой световой микроскоп с увеличением в 500 раз. Однако, возможности светового микроскопа не безграничны. Предел разрешения светового микроскопа задается длиной световой волны, то есть оптический микроскоп может быть использован только для изучения таких структур, минимальные размеры которых сопоставимы с длиной волны светового излучения. Чем короче длина волны излучения, тем она мощнее и тем выше ее проникающая способность и разрешение микроскопа Лучший световой микроскоп имеет разрешающую способность около 0.2 мкм (или 200 нм), то есть примерно в 500 раз улучшает человеческий глаз.
Именно с помощью светового микроскопа известный японский исследователь Масару Эмото сделал свои удивительные фотографии снежинок и кристаллов льда и установил, что никакие два образца воды не образуют полностью одинаковых кристаллов при замерзании, и что их форма отражает свойства воды, несет информацию о том или ином воздействии, оказанном на воду. Для получения фотографий микрокристаллов капельки воды помещались в 50 чашек Петри и резко охлаждались в морозильнике в течение 2 часов. Затем они помещались в специальный прибор, состоящий из холодильной камеры и светового микроскопа с подключенным к нему фотоаппаратом. Образцы рассматривались при температуре –5°С в под увеличением 200—500 раз. В лаборатории М. Эмото были исследованы образцы воды из различных водных источников всего мира. Вода подвергалась различным видам воздействия, такие как музыка, изображения, электромагнитное излучение от телевизора, мысли одного человека и групп людей, молитвы, напечатанные и произнесенные слова.
Существуют несколько модификаций световой микроскопии. Например, в фазово-контрастном микроскопе, действие которого основано на том, что при прохождении света через объект фаза световой волны меняется согласно коэффициенту рефракции объекта, благодаря чему часть света, проходящего через объект, оказывается сдвинутой по фазе на половину длины волны относительно другой части, чем и обусловлен контраст изображения. В интерференционном микроскопе используются эффекты интерференции света, возникающие при рекомбинации двух наборов волн, которые создают изображение структуры объекта. Поляризационный микроскоп предназначен для исследования взаимодействия образцов с поляризованным светом. Поляризованный свет нередко позволяет выявлять структуру объектов, лежащую за пределами обычного оптического разрешения.
Однако все эти микроскопы не позволяют изучать молекулярную структуру и все они имеют один главный недостаток – они не приемлемы для изучения воды. Для того, чтобы проводить более точные исследования необходимо применять более сложные и чувствительные микроскопические методы, основанные на использовании не световых, а электромагнитных, лазерных и рентгеновских волн.
Ла́зерный микроско́п более чувствителен, чем световой микроскоп и позволяет наблюдать объекты на глубине более одного миллиметра, используя явление флуоресценции, при котором обладающее низкой энергией фотоны лазерного излучения, возбуждает способную к флюоресценции молекулу или часть молекулы в наблюдаемом объекте - флюорофор. Результатом этого возбуждения является последующее испускание возбужденными молекулами флюоресцирующего образца флюоресцентного фотона, который усиливается с помощью высокочувствительного фотоумножителя, формирующего изображение. В лазерном микроскопе луч инфракрасного лазера сфокусирован с помощью собирающей линзы объектива. Обычно используется высокочастотный 80 МГц сапфировый лазер, испускающий импульс с длительностью 100 фемтосекунд, обеспечивающей высокую плотность фотонного потока.
Лазерный микроскоп предназначен для исследования многих содержащих флюорофорные группы биообъектов. Сейчас существуют 3-х мерные лазерные микроскопы, которые позволяют получать голографические картинки. Такой микроскоп состоит из пары водонепроницаемых отсеков, разделенных камерой, в которую поступает вода. В одном из отсеков находится синий лазер, который фокусируется на крошечном отверстии размером с булавочную головку, сканируя поступающую в камеру воду. Во втором отсеке напротив отверстия встроена цифровая камера. Лазер генерирует сферические световые волны, которые распространяются в воде. Если свет попадает на микроскопический объект (скажем, бактерию) – происходит дифракция, то есть молекула создает преломление луча света, которое фиксирует камера. Наиболее часто используемые флюорофоры имеют спектр возбуждения в промежутке 400-500 нм, в то время как длина волны возбуждающего лазера находится в промежутке 700-1000 нм (область инфракрасных волн).
Однако, для исследований структуры воды лазерная спектроскопия не подходит, поскольку вода прозрачна для лазерного излучения и флюорофорных групп не содержит, а лазерный луч с длиной волны 1400 нм значительно поглощается водой в живых тканях.
Для структурного изучения воды может быть использован рентгеновский микроскоп, который основан на использовании электромагнитного рентгеновского излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра и предназначен для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Современные рентгеновские микроскопы по разрешающей способности находятся между электронными и световыми микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нанометров, что на два порядка больше разрешающей способности обычного светового микроскопа (до 20 микрометров). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нанометров, но и такое разрешение недостаточно для исследования атомов и молекул.
Другая модификация рентгеновского микроскопа - лазерный рентгеновский микроскоп использует принцип лазерного луча на свободных электронах установки, которая генерирует инфракрасный луч мощностью 14,2 киловатта с сечением в 0,1 нанометра. Генерируемый луч образует плазменное облако частиц при встрече луча с микрочастицей. Фиксируемые при этом изображения возбуждённых наночастиц имеют разрешение в 1,61 мкр. Чтобы получить изображения молекул с атомарным разрешением, требуются лучи с ещё более короткими длинами волны, то не «мягкий», а «жёсткий» рентген www.membrana.ru/print.html?1163590140
Рис. Схема лазерного рентгеновского микроскопа.
1 —Лазерное излучение
2 —Испускаемое излучение
3 — Зона встречи лазерного излучение с частицей материи
4 — Генератор частиц
5 —Фотосенсор — приёмник спектра электромагнитных излучений возбужденных элементов плазменного облака
6 — Оптическая линза
7 — Вигглер
8 — Линейный источник когерентного света Linac Coherent Light Source — LCLS
9 — Частица
10 — Единичная параболическая кремниевая Х-линза
В 2004 году Американский национальный центр ускорителей — лаборатория Джефферсона (Thomas Jefferson Lab, National Accelerator Facility) на установке FEL лазерный луч формировала в вигглере - установке, состоящей линии из мощных электромагнитов или постоянных магнитов с чередующимися полюсами. Через него пропускается пучок электронов с высокой скоростью, направляемые ускорителем. В магнитных полях вигглера электроны заставляют двигаться по сферическим траекториям. Теряя энергию она преобразуется в поток фотонов. Лазерный луч, как и в других лазерных установках собирается и усиливается системой из обычных и полупрозрачных зеркал, установленных на концах вигглера. Изменение энергии лазерного пучка и параметров вигглера (например, расстояние между магнитами) дает возможность изменять в широких пределах частоту лазерного луча. Другие системы: твердые или газовые лазеры с накачкой мощных ламп этого обеспечить не могут.
Но всё же лазерный рентгеновский микроскоп для нашей России – большая экзотика. Самым мощным из всех существующих микроскопов является электронный микроскоп, который позволяет получать изображения с максимальным увеличением до 106 раз, позволяя видеть наночастицы и даже отдельных молекулы, используя для их освещения пучок электронов с энергиями 100-200 кВт. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000÷10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может составлять несколько ангстрем. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля.
Чтобы получить изображения больших молекул с атомарным разрешением, требуется провести эксперимент, используя лучи с ещё более короткими длинами волны, то есть применив не «мягкий», а «жёсткий» рентген www.membrana.ru/print.html?1163590140
В 2004 году Американский национальный центр ускорителей — лаборатория Джефферсона (Thomas Jefferson Lab, National Accelerator Facility) на установке FEL лазерный луч формировала в вигглере - установке, состоящей линии из мощных электромагнитов или постоянных магнитов с чередующимися полюсами. Через него пропускается пучок электронов с высокой скоростью, направляемые ускорителем. В магнитных полях вигглера электроны заставляют двигаться по сферическим траекториям. Теряя энергию она преобразуется в поток фотонов. Лазерный луч, как и в других лазерных установках собирается и усиливается системой из обычных и полупрозрачных зеркал, установленных на концах вигглера. Изменение энергии лазерного пучка и параметров вигглера (например, расстояние между магнитами) дает возможность изменять в широких пределах частоту лазерного луча. Другие системы: твердые или газовые лазеры с накачкой мощных ламп этого обеспечить не могут. Но всё же лазерный рентгеновский микроскоп для России – большая экзотика.
Электронный микроскоп
Одним из самых мощных из всех существующих микроскопов является электронный микроскоп, который позволяет получать изображения с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию вместо светового потока с энергиями 30÷200 кВт и более. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000÷10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может составлять несколько ангстрем. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля.
Сейчас электронный микроскоп — один из важнейших приборов для фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела.
Рис. - фото справа - Электронный микроскоп
Существуют три основных вида электронных микроскопов. В 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), в 1950-х годах — растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ), а в 1980-х годах — растровый туннельный микроскоп (РТМ). Эти три вида микроскопов дополняют друг друга в исследованиях структур и материалов разных типов.
Но в 90-х годах прошлого века был создан микроскоп, более мощный чем электронный, способный проводить исследования на уровне атомов.
Атомно-силовая микроскопия была разработана Г. Биннигом и Г. Рорером, которым за эти исследования в 1986 была присуждена Нобелевская премия.
Создание атомно-силового микроскопа, способного чувствовать силы притяжения и отталкивания, возникающие между отдельными атомами, дало возможность проводить исследования объектов на наноуровне.
Рисунок ниже. Остриё микро-зонда (верх, взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 32.) и принцип работы сканирующего зондового микроскопа (взято из www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Пунктиром показан ход луча лазера.
Основой атомно-силового микроскопа служит микрозонд, обычно сделанный из кремния и представляющий собой тонкую пластинку-консоль (ее называют кантилевером, от английского слова "cantilever" - консоль, балка). На конце кантилевера (длина - 500 мкм, ширина - 50 мкм, толщина – 1 мкм) расположен очень острый шип (высота – 10 мкм, радиус закругления от 1 до 10 нм), оканчивающийся группой из одного или нескольких атомов. При перемещении микрозонда вдоль поверхности образца острие шипа приподнимается и опускается, очерчивая микрорельеф поверхности, подобно тому, как скользит по грампластинке патефонная игла. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам – пьезодатчиком. Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность атомно-силового микроскопа составляет примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.
Другая группа сканирующих зондовых микроскопов для построения рельефа поверхности использует так называемый квантово-механический «туннельный эффект». Суть туннельного эффекта состоит в том, что электрический ток между острой металлической иглой и поверхностью, расположенной на расстоянии около 1 нм, начинает зависеть от этого расстояния – чем меньше расстояние, тем больше ток. Если между иглой и поверхностью прикладывать напряжение 10 В, то этот «туннельный» ток может составить от 10 нА до 10 рА. Измеряя этот ток и поддерживая его постоянным, можно сохранять постоянным и расстояние между иглой и поверхностью. Это позволяет строить объёмный профиль поверхности кристаллов металлов.
Рисунок. Игла сканирующего туннельного микроскопа, находящаяся на постоянном расстоянии (см. стрелки) над слоями атомов исследуемой поверхности.
С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно не только двигать атомы, но и создавать предпосылки для их самоорганизации. Например, если на металлической пластине находится капля воды, содержащая ионы тиолов, то зонд микроскопа будет способствовать такой ориентации этих молекул, при которой их два углеводородных хвоста будут обращены от пластины. В результате, можно выстроить монослой тиольных молекул, прилипших к металлической пластине.
Рисунок. Слева – кантилевер (серый) сканирующего зондового микроскопа над металлической пластинкой. Справа – увеличенное изображение области (обведена белым на рисунке слева) под зондом кантилевера, на которой схематически показаны молекулы тиола с серыми углеводородными хвостами, выстраивающимися в монослой у кончика зонда. Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 44.
С помощью сканирующего туннельного микроскопа д-р Анджелос Микаелидес (Angelos Michaelides) из Центра нанотехнологий в Лондоне и профессор Карина Моргенштерн (Karina Morgenstern) из университета им. Лейбница в Ганновере исследовали молекулярную структуру льда, о чем была посвящена их статья в журнале Nature Materials.
Рис. Изображение гексамера воды, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Размер гексамера в поперечнике - около 1 нм. Фото London Centre for Nanotechnology
Для этого исследователи охлаждали водяной пар над поверхностью металлической пластины, находящейся при температуре 5 градусов Кельвина. Вскоре с помощью сканирующего туннельного микроскопа на металлической пластине удалось наблюдать кластеры воды -гексамеры - шесть соединенных между собой молекул воды. Исследователи также наблюдали кластеры, содержащие семь, восемь и девять молекул.
Разработка технологии, позволившей получить изображение кластера воды - само по себе важное научное достижение. Для наблюдения пришлось сократить зондирующий ток до минимума, что и позволило предохранить слабые связи между отдельными молекулами воды от разрушения вследствие процесса наблюдения. Помимо экспериментов, в работе были использованы теоретические подходы квантовой механики. Получены также важные результаты о способности молекул воды к распределению водородных связей и к их связи с поверхностью металла.
Кроме микроскопии существуют и другие методы изучения структуры воды – спектроскопия протонного магнитного резонанса, лазернаяи инфракрасная спекроскопия, дифракция рентгеновских лучей и др.
Другие методы также позволяют изучать динамику молекул воды. Это эксперименты по квазиупругому рассеянию нейтронов, сверхбыстрой ИК-спектроскопии и изучение диффузии воды с помощью ЯМР или меченых атомов дейтерия. Метод ЯМР-спектроскопии основан на том, что ядро атома водорода имеет магнитный момент — спин, взаимодействующий с магнитными полями, постоянными и переменными. По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся, получая, таким образом, информацию о структуре молекулы.
Дифракцию рентгеновских лучей и нейтронов на воде изучали много раз. Однако подробных сведений о структуре эти эксперименты дать не могут. Неоднородности, различающиеся по плотности, можно было бы увидеть по рассеянию рентгеновских лучей и нейтронов под малыми углами, однако такие неоднородности должны быть большими, состоящими из сотен молекул воды. Можно было бы их увидеть, и исследуя рассеяние света. Однако вода — исключительно прозрачная жидкость. Единственный же результат дифракционных экспериментов — функции радиального распределения, то есть расстояния между атомами кислорода, водорода и кислорода-водорода. Эти функции для воды затухают гораздо быстрее, чем для большинства других жидкостей. Например, распределение расстояний между атомами кислорода при температуре, близкой к комнатной, даёт только три максимума, на 2,8, 4,5 и 6,7 Å. Первый максимум соответствует расстоянию до ближайших соседей, и его значение примерно равно длине водородной связи. Второй максимум близок к средней длине ребра тетраэдра — вспомним, что молекулы воды в гексагональном льду располагаются по вершинам тетраэдра, описанного вокруг центральной молекулы. А третий максимум, выраженный весьма слабо, соответствует расстоянию до третьих и более далёких соседей по водородной сетке. Этот максимум и сам не очень ярок, а про дальнейшие пики и говорить не приходится. Были попытки получить из этих распределений более детальную информацию. Так в 1969 году И.С. Андрианов и И.З. Фишер нашли расстояния вплоть до восьмого соседа, при этом до пятого соседа оно оказалось равным 3 Å, а до шестого — 3,1 Å. Это позволяет делать данные о дальнем окружении молекул воды.
Другой метод исследования структуры – нейтронная дифракция на кристаллах воды осуществляется точно также, как и рентгеновская дифракция. Однако из-за того, что длины нейтронного рассеяния различаются у разных атомов не столь сильно, метод изоморфного замещения становится неприемлемым. На практике обычно работают с кристаллом, у которого молекулярная структура уже приблизительно установлена другими методами. Затем для этого кристалла измеряют интенсивности нейтронной дифракции. По этим результатам проводят преобразование Фурье, в ходе которого используют измеренные нейтронные интенсивности и фазы, вычисляемые с учётом неводородных атомов, т.е. атомов кислорода, положение которых в модели структуры известно. Затем на полученной таким образом фурье-карте атомы водорода и дейтерия представлены с гораздо большими весами, чем на карте электронной плотности, т.к. вклад этих атомов в нейтронное рассеяние очень большой. По этой карте плотности можно, например, определить положения атомов водорода (отрицательная плотность) и дейтерия (положительная плотность).
Возможна разновидность этого метода, которая состоит в том, что кристалл льда, перед измерениями выдерживают в тяжёлой воде. В этом случае нейтронная дифракция не только позволяет установить, где расположены атомы водорода, но и выявляет те из них, способные обмениваться на дейтерий, что особенно важно при изучение изотопного (H-D)-обмена. Подобная информация помогает подтвердить правильность установления структуры. Но все эти методы достаточно сложны и требуют для проведения мощной дорогостоящей техники.
В результате экспериментов по квазиупругому рассеянию нейтронов в кристаллах воды был измерен важнейший параметр — коэффициент самодиффузии при различных давлениях и температурах. А новейшие методы фемтосекундной лазерной спектроскопии позволили оценить время жизни не только отдельных кластеров воды, но и время жизни разорванной водородной связи. Оказывается, кластеры довольно неустойчивы и могут распадаться через 0,5 пс, но могут жить и несколько пикосекунд. А вот распределение времён жизни водородных связей очень велико Но это время не превышает 40 пс, а среднее значение — несколько пс. Однако всё это средние величины.
Изучить детали строения и характера движения молекул воды можно и при помощи компьютерного моделирования, называемого иногда численным экспериментом, который позволяет исследователям рассчитывать новые модели воды.
С уважением,
К.х.н. О.В. Мосин
Мы дома с помощью микроскопа sititek микрон space тоже пытались рассмотреть молекулы воды и льда. Очень интересное и занимательное действо. Различие структур сразу бросается в глаза.