[Optika] Mikroskopi i teleskopi

E ovako... Moje znanje iz optike je vrlo slabo, stavise ogranicava se na prelamanju i odbijanju svetlosti. Moze li neko da mi objasni sta to nas u stvari sprecava da kroz mikroskop vidimo atom ili da kroz teleskop vidimo stvari jos udaljenije od onih koje smo do sada videli? Unapred hvala

Vrlo zanimljivo pitanje. Dovezao bih se - koja je to najmanja materijalna pojava koju je covek uspeo da vidi (mikroskopom)? Mislim na neke konkretne podatke. Mogu i slike jos bolje. Ili linkovi.

fantom piroman:

E ovako... Moje znanje iz optike je vrlo slabo, stavise ogranicava se na prelamanju i odbijanju svetlosti. Moze li neko da mi objasni sta to nas u stvari sprecava da kroz mikroskop vidimo atom ili da kroz teleskop vidimo stvari jos udaljenije od onih koje smo do sada videli? Unapred hvala

Kliknite za proširenje...

Ostaviću astronomima da ti odgovore na pitanje u vezi teleskopa (gde su limiti često definisani brojem fotona koji dolaze iz datog izvora, pogotovo relativno na druge bliske izvore; osetljivost detektora igra glavnu ulogu).

Kod mikroskopa, u većini slučajeva se radi o ograničenom kvalitetu sočiva; ali kod najboljih sočiva, konačno ograničenje daje difrakcija svetlosti. Matematika je suviše komplikovana za iznošenje ovde, ali stvar se svodi na činjenicu da je svetlost talas.

Možda se secas osnovnih eksperimenata iz fizike u kojima se svetlost pušta kroz tanak prorez, što sa druge strane proizvodi difrakciju:


Otvor kamere (aperture, ne znam koji je izraz na srpskom) se ponaša kao jedan takav prorez i proizvodi odredjenu količinu difrakcije. Ovo postavlja konačno ograničenje na veličinu objekata koji se mogu razlikovati (rezoluciju), koja zavisi od veličine aperture i talasne dužine svetlosti. Teorijski limit je jedna četvrtina talasne dužine svetlosti, ali praktični zahtevi mikroskopa dodaju još malo na to, što dovodi do konačnog limita običnih mikroskopa od oko 200 nanometara.

Ali ovaj problem se može donekle zaobići. Ako ti nije potrebno da posmatraš žive ćelije, možeš da ih zamrzneš ili prekriješ metalnim slojem, i da onda posmatraš mnogo finije detalje pomoću elektronskog mikroskopa.

Šta ako želiš da gledaš živu ćeliju? I tu se limit može smanjiti do skoro molekularnog. Recimo, meni je neophodno da mogu da pratim pojedinačne mitohondrije u aksonima nerava, što je značajno ispod 200nm limita. Rešenje je konfokalni mikroskop, plus fluorescencija. Prvo, šta je konfokalni mikroskop?



Kod običnog mikroskopa, ako fokusiras sočivo kroz tkivo, vidiš jasno neke strukture - one koje su u fokusu - dok su ostale strukture (van fokusa) mutne. Problem je u tome što strukture van fokusa ali izmedju fokusa i sočiva zamućuju ono što želiš da vidiš.

Konfokalni mikroskop ima sočivo koje se nalazi iza rupice koja blokira talase svetlosti koji dolaze van fokusa. Otud, sve što je van fokusa je nevidljivo (crno). Ovo značajno povećava rezoluciju samo po sebi. Ograničenje, međutim, je što se eliminiše veliki deo svetlosti i što se ne može osvetliti ceo uzorak: svetlost mora da bude veoma snažna i da pada samo na jednu fokusiranu tačku. Otud, konfokalni mikroskopi zahtevaju lasersku svetlost, a detekcijija zahteva fotomultiplikaciju ili mehaničku detekciju. Drugim rečima, ne možeš da gledaš očima kroz konfokalni mikroskop - slika se pojavljuje na ekranu.

Ovo i dalje nije, samo po sebi, dovoljno za moderne naučne svrhe. Dodatna rezolucija se može dobiti tako što se eliminiše sva ulazna svetlost. Ali kako onda videti bilo šta?



Recimo, u mom slučaju (da se razumemo, ovo nije moje otkriće, već standardna stvar u mnogim naučnim granama danas) napravio sam genetski konstrukt koji se sastoji od kontrolnih mehanizama iz ćelija gljivica, signala uzetih iz ljudske genetike, i gena iskopiranog iz jedne vrste meduza. Ovaj konstrukt sam onda ubacio u genom voćnih mušica.

Rezultat su mušice koje proizvode meduzin protein samo i jedino u svojim nervnim ćelijama, i koje taj protein pakuju isključivo u mitohondrije. Ovaj protein, zvan GFP, iliti "green fluorescent protein" (zeleni fluorescentni protein) kod meduza služi da proizvede svetlost (ako si video filmove u kojima meduze blago svetlucaju, to je to).

Ali on ima još jednu dodatnu osobinu: ako osvetliš protein talasom plave svetlosti, on ga upije, jedan deo energije prebaci u vibracije, a ostatak oslobodi nazad u vidu fotona zelene svetlosti. Znači, ako usmerim plavi laser na mušice, mitohondrije u nervima tih mušica će da svetle nazad zelenom bojom. Ako onda ispred sočiva stavim filter koji eliminiše plavu svetlost, dobijam dodatno besplatno fokusiranje - pošto je jedini izvor svetlosti tada ona svetlost koja dolazi iz moje mete.

Ako nije jasno, evo jedne nesavršene analogije. Zamisli da pokušavaš da sa jedne planine usred noći nađeš čoveka koji se nalazi na susednoj planini. Možeš da upališ neki snažan reflektor i da onda polako ideš po planini i gledaš kroz dvogled i da tražiš gde se on nalazi. Ili možeš da prosto isključiš reflektor, i da gledaš kroz dvogled kada taj čovek upali šibicu. Mnogo manja svetlost daje mnogo veću vidljivost.

Ovim se mikroskopija može spustiti do nekoliko desetina nanometara rezolucije.

Ali atomi još nisu vidljivi. Šta sa njima?

Možemo videti i njih, ali tu su potrebne mnogo komplikovanije stvari. Teorijski, mogao bi da ih "vidiš" pomoću Rendgenskog zračenja: ono ima toliko malu talasnu dužinu, da je jedna četvrtina dužine dovoljno mala da se vide pojedinačni atomi. Problem je u tome što rendgensko zračenje ne može da se fokusira.

Znači, imaš dobru svetlost, ali nemaš nikakav mikroskop. Kako to možeš da iskoristiš?

Za sada, možemo da vidimo atome samo u veoma čistim supstancama, koje možemo da kristalizujemo. U kristalima, svi molekuli su raspoređeni u uređenu strukturu, što omogućava upotrebu Bragovog zakona. Ovde je u pitanju dosta komplikovana matematika, opet (koliko komplikovana? osnovna jednačina je trostruki integral nad funkcijom koja sadrži imaginarne brojeve u eksponentu; nije kvantna fizika, ali nije baš za objašnjavanje na forumu).

Ali ukratko, ako kristal neke supstance izložiš veoma jakom rendgenskom zračenju (ovde se obično koriste sinhrotroni, mašine sa prečnikom od više stotina metara, gde se čestice ubrzavaju kroz snažna magnetna polja i onda udaraju o metalne mete, proizvodeći radijaciju), dobićeš difrakciju:



Ako onda kristal polako okrećeš u istoj ravni, dobićeš niz ovakvih difrakcija, koje stvaraju trodimenzionalnu mapu "odjeka". Iz ove mape se može izračunati trodimenzionalna mapa elektrona, koja izgleda otprilike ovako:



Ako znaš atomski sastav jedinjenja, možeš da vidiš kako se on uklapa u ovu mapu, i da rekonstruišeš čitav molekul. Tako se dobijaju molekularne strukture proteina, u kojima znamo kako dati protein izgleda u stvarnosti (tj. gde se njegovi atomi nalaze). Recimo, evo ti slika molekula proteina rodopsina (koji je osnova za naše čulo vida), prikazana na različite načine:

(A.Struktura rodopsina.B.Hemijska struktura rodopsina.C.Atomski pogled na rodopsin.D.Molekularna površina rodopsina.)

Postoje i drugi načini da se "vide" pojedinačni atomi (nuklearna magnetna rezonanca, npr.), ali mislim da je ovo dovoljno komplikovano za jednu poruku.

Jeste a i nije, razumeo sam glavno. Odgovorilo je na moje pitanje u glavnom Da nije rec koju si trazio objektiv?

fantom piroman:

Jeste a i nije, razumeo sam glavno. Odgovorilo je na moje pitanje u glavnom Da nije rec koju si trazio objektiv?

Kliknite za proširenje...

Možda, nisam siguran.

I dalje se nadam da će se neki astronom javiti da objasni situaciju kod teleskopa...

Bah, sa dobrim elektronskim mikroskopom se mogu razaznati pojedini atomi nekog materijala. Gledao sam.

Paganko:

Bah, sa dobrim elektronskim mikroskopom se mogu razaznati pojedini atomi nekog materijala. Gledao sam.

Kliknite za proširenje...

Gledao si direktno kroz mikroskop?

Obzirom da atomom dominira "prazan prostor" i da kretanja subatomskih cestica podleze kvantno-mehanickim pravilima koja se zasnivaju na statistici i verovatnoci, vrlo mi je interesantno kako to tacno manji molekul ili atom izgleda pod mikroskopom. Mislim, da li to ima ikakvog uticaja, odnosno da li postoji neka sustinska razlika izmedju toga kako atom, na primer, izgleda pod mikroskopom u donosu na to kako izgledaju krupniji materijalni objekti.

Inace, ima i na Rečniku Internet Krstarice prevod:
aperture - blenda


.

chuck.eu:

Obzirom da atomom dominira "prazan prostor" i da kretanja subatomskih cestica podleze kvantno-mehanickim pravilima koja se zasnivaju na statistici i verovatnoci, vrlo mi je interesantno kako to tacno manji molekul ili atom izgleda pod mikroskopom.

Kliknite za proširenje...

Ne zaboravi da su pod elektronskim mikroskopom kriogene temperature (koje minimizuju kretanje atoma), da su atomi povezani u molekule (koji imaju kvantne nivoe, ali je neodređenost veoma mala - nije situacija kao sa slobodnim elektronom), i da ti ne vidiš apstraktno atom, već vidiš površinu njegovog elektronskog oblaka.

Ali mi čudno zvuči ovo o atomskoj rezoluciji elektronskog mikroskopa - koja mikroskopija je u pitanju, i jesi li siguran da si video atome? Mislim, pojedini makromolekuli mogu da se razaznaju, ali ne atomi, čak ni transmisionim mikroskopom.

(Postoji "mikroskop" koji takođe može da donekle vidi pojedine atome - pa čak i da pomera pojedine atome, bukvalno atom po atom - ali samo na ravnoj površini i pod veoma specifičnim uslovima. Ovaj "mikroskop atomske sile" (atomic force microscope) ima rezoluciju od oko jednog nanometra. Ali ne može se, avaj, primeniti čak ni na zamrznute biološke uzorke...)

Rekao bih da je problem u socivima, tj rasporedu velicini i broju...

Nisam imao prilike da pogledam u ekran SEM mikroskopa ali sam imao uvid u fotografije u veoma visokoj rezoluciji kao sto je ova gore. Donja slika je obojena laznim bojama radi preglednosti, cisto da se razumemo...

Researchers 'see' catalyst molecules at work

24 April 2007

Researchers have for the first time 'watched' in real time single molecules of catalyst participating in a reaction at a solid-liquid interface. The work presents unique information into the way that certain reactions occur at the single-molecule level and could provide new insights into the design of catalysts.

Johannes Elemans of Radboud University Nijmegen in the Netherlands and colleagues used scanning tunneling microscopy (STM) to observe porphyrin molecules catalyse the oxidation of an alkene to an epoxide.

STM works by scanning an ultra-sharp metal tip across a surface. When a voltage is applied between the tip and the surface, electrons tunnel between the two, the tunneling current being proportional to the distance between the tip and surface features. In this way molecular features on the surface can be mapped.

Elemans and his team deposited a layer of manganese porphyrins - large, flat organic molecules possessing a single manganese atom at the centre - onto a gold surface. The researchers noticed that in the presence of molecular oxygen, the characteristics of adjacent pairs of porphyrin molecules changed - showing up as clear bright spots in the microscope, with each molecule evidently acquiring a single atom of oxygen.

The clean and highly defined STM images indicate a nearly uncontaminated interface; however, occasionally, a porphyrin with a much higher apparent height was observed (white arrow)

© Nature

When an alkene is introduced to the system the porphyrins transfer the oxygen to the alkene to form an epoxide, leaving the porphyrin to participate in another cycle of catalysis. The researchers were able to take STM 'snapshots' of the reaction throughout the process.

The team postulates that by binding to the gold surface, the manganese centre of porphyrin becomes reduced and is able to split molecular oxygen into two atoms, which become distributed between pairs of adjacent porphyrins and are then available for catalytic transfer to the alkene.

In a commentary accompanying the research, Simon Higgins and Richard Nichols of the University of Liverpool, UK, say that the ability of Elemans' team to capture high-resolution snapshots of these events at the molecular level represents a breakthrough that offers 'new molecular-level insights concerning the mechanism of this reaction.'

They add, 'It is clearly exciting that catalytic reactions on surfaces can be imaged under ambient laboratory conditions.' Higgins and Nichols point out, however, that to follow other such reactions in real time, the rate and turnover of the reactions must tally with the maximum rate that images can be obtained by STM. 'This consideration is likely to limit the number of ambient reactions that can be meaningfully studied with this technique, at least at this stage,' they say.

Kliknite za proširenje...

Paganko:

Bah, sa dobrim elektronskim mikroskopom se mogu razaznati pojedini atomi nekog materijala. Gledao sam.

Kliknite za proširenje...

Samo razaznati.....

Paganko:

Nisam imao prilike da pogledam u ekran SEM mikroskopa ali sam imao uvid u fotografije u veoma visokoj rezoluciji kao sto je ova gore. Donja slika je obojena laznim bojama radi preglednosti, cisto da se razumemo...

Kliknite za proširenje...

Osim ako ne grešim, ovo nisu atomi, već molekuli? Makromolekuli se itekako mogu videti na snimcima elektronskim mikroskopom.

Takođe donja slika je STM (scanning tunnelin microscope), ne SEM?

endonuclease:

Osim ako ne grešim, ovo nisu atomi, već molekuli? Makromolekuli se itekako mogu videti na snimcima elektronskim mikroskopom.

Takođe donja slika je STM (scanning tunnelin microscope), ne SEM?

Kliknite za proširenje...

Slažem se...SEM ima daleko manju rezoluciju i na njemu se vide čestice reda nekoliko stotina nanometra do nekoliko (desetina, stotina) mikrometra, bar je tako ovde kod nas mada moguće da postoje zverski SEM-ovi, sve mašine se unapređuju stalno.

Takođe slikanje čestica veličine 5 nm (kao gore) se radi preko TEM-a, odnosno slika TEM-a se koristi kao sigurna potvrda da se radi o česitcama nanometarskih veličina.

E da..postoje i HRTEM-ovi High Resolution TEM-ovi gde se vide kristalne ravni i čvorovi kristalne rešetke.

Sudeci po nazivu slike, ona prva je germanijum vidjen TEM-om

lightm:

Sudeci po nazivu slike, ona prva je germanijum vidjen TEM-om

Kliknite za proširenje...

a taman sam htela da ostavim porukicu:
uuu koja si faca odakle si znao da je germanijum?
a onda se setih da kliknem na sliku

Iskreno, ono sto sam ja video je bila kristalna resetka na kojoj se mogao razanati priblizan polozaj (hm) atoma. Pogledacu ponovo ako nadjem.

P.S. Da to dole je slika sa STM-a.

Paganko:

Iskreno, ono sto sam ja video je bila kristalna resetka na kojoj se mogao razanati priblizan polozaj (hm) atoma. Pogledacu ponovo ako nadjem.

Kliknite za proširenje...

A, ok, sada vidim u čemu je nesporazum.

Ako govorimo o kristalu, onda tu možemo videti približan položaj atoma pomoću elektronskog mikroskopa, pošto se Bragov zakon ubacuje u priču (efektivno dodajući rezoluciju kroz aditivne osobine identičnih ravni preseka kroz kristal).

endonuclease:

A, ok, sada vidim u čemu je nesporazum.

Ako govorimo o kristalu, onda tu možemo videti približan položaj atoma pomoću elektronskog mikroskopa, pošto se Bragov zakon ubacuje u priču (efektivno dodajući rezoluciju kroz aditivne osobine identičnih ravni preseka kroz kristal).

Kliknite za proširenje...

sad sam gledao. Medjuatomska rastojanja u kristalu su reda velicine 0.5nm tako da.....