Kredit: Lühr et al. (2016)., American Chemical Society.

Bylo by skvělé vidět do vnitřku molekulárních struktur. To nepochybně. Jenže soudobé spolehlivé zobrazovací metody, jako je například řádkovací tunelová mikroskopie (scanning tunneling microscopy), zobrazují jenom povrchy molekul. Schopnost vidět hlouběji do molekulární struktury a pozorovat tak přímo všechny atomy, které takovou strukturu tvoří, je přitom podle všeho zásadní pro vývoj nových materiálů a pochopení jejich fyzikálních a chemických vlastností. V novém čísle časopisu Nano Letters se teď objevila pozoruhodná nová zobrazovací metoda, která právě tohle důmyslným způsobem umožňuje.

Až doposud jsme do molekul neviděli. Nešlo to. Skutečné uspořádání atomů jsme mohli zkoumat jenom nepřímo. Anebo, pravda, je teoreticky předpovídat. Ale nebylo to úplně ono. Odborníci to vnímali jako významný problém, protože bez znalosti skutečného uspořádání atomů v molekule nelze úplně proniknout do vztahu mezi strukturou molekuly a jejími vlastnostmi. Klíčová úroveň informace nám chyběla.

Řešení nabízí Tobias Lühr z Technické univerzity Dortmund a jeho spolupracovníci, kteří dokázali vytvořit 3D hologramy odpovídající uspořádání atomů uvnitř molekulární struktury. Není to vlastně poprvé. Badatelé se už dříve pokoušeli zobrazit molekulární struktury pomocí holografických technologií, nijak zvlášť ale neuspěli. Dosavadní snímky získané tímto způsobem trpěly nepříjemnými artefakty zobrazování a i ty nejlepší ze snímků nezahrnuly více než 10 atomů.

Jak fungují 3D hologramy atomů v molekule. Kredit: Lühr et al. (2016)., American Chemical Society.

Nová metoda holografického zobrazování, kterou použili Lühr a spol., dosavadní postupy významným způsobem vylepšuje. Prakticky kompletně eliminuje rušivé artefakty, umožňuje zobrazit celé tisíce atomů, a ještě navíc dovede rozlišit mezi jednotlivými typy atomů. Lühr a jeho kolegové to názorně předvedli vytvořením 3D hologramů molekulární struktury pyritu (FeS2).

Holografické zobrazování molekulární struktury funguje tak, že využívá rozptylu vln elektronů atomů, které jsou obsaženy ve studované molekule. Mezi vlnami elektronů dochází k interferenci a ta vytváří difrakční vzory (diffraction patterns). Z informace získané z difrakčních vzorů pak vědci dovedou rekonstruovat 3D hologramy, které ukazují skutečné pozice jednotlivých atomů v molekule.

TU Dortmund. Kredit: Tuxyso / Wikimedia Commons.

Jak se to Lührovi a spol. povedlo? Pro zlepšení holografického zobrazování prý bylo klíčové použít vlny elektronů o mnohem vyšších energiích, než jaké používali vědecké týmy v předchozích pokusech s holografickým zobrazováním. Stručně řečeno, šlo o to použít vlny o energii několik tisíc elektronvoltů namísto několika set elektronvoltů. Vlny elektronů o takto vysokých energiích lze více „zaostřit“ a omezit tím jejich rozptyl a vznik nežádoucích artefaktů.

Pro pěkný holografický snímek molekuly by stačila analýza jediného difrakčního vzoru. Lühr s kolegy se ale rozhodli, že kvalitu svých snímků ještě zvýší. Neudělali tedy jeden 3D snímek, ale hned dvacet snímků jedné a té stejné molekuly, které následně zprůměrovali a potlačili tím informační šum na pozadí jednotlivých snímků. Vědci nepochybují, že jejich zobrazovací metoda vhodně doplní stávající postupy zobrazování molekul a osvědčí se pro použití v budoucím výzkumu. 


Literatura
Phys.Org 3. 5. 2016, Nano Letters online 12. 4. 2016.