Можно ли увидеть наночастицы, молекулы и атомы без микроскопа невооруженным глазом?⁠⁠

Внимание, пост дает +100 к зрению!

Такого поста на Пикабу вы еще точно не видели. Это единственный пост, который даст вам суперспособность, как в фильмах про супергероев. Кто-то после воздействия инопланетного метеорита получает лазерное зрение, кто-то после воздействия радиации начинает видеть сквозь стены, а вы сможете увидеть наночастицы и молекулы своими глазами без специальной техники.

В школе мне рассказывали, что молекулы настолько маленькие, что их не то что глазом, но и в обычный микроскоп невозможно разглядеть. Нужна специальная очень сложная и дорогая техника, типа электронных микроскопов или атомно-силовых микроскопов, которые стоят как автомобиль Бэтмена. Но ученые вас обманывали

Наверное каждый слышал хотя бы одну из множества аналогий, показывающих насколько невероятно маленькими являются атомы, молекулы и наночастицы. Например, я нашел такую.

Давайте обратимся к нашему стандартному масштабу и приблизим атом водорода так, чтобы он удобно лег в руку. Вирусы тогда будут 300-метрового размера, бактерии 3-километрового, а толщина волоса станет равна 150 километрам, и даже в лежащем состоянии он выйдет за границы атмосферы (а в длину может достать и до Луны).

В университете мне рассказывали, что нанотехнологии появились, когда изобрели сверхмощные микроскопы, дающие увеличение в сто тысяч крат. Разрешение оптического микроскопа не может превысить 200 нм на самом деле может, но это другая история. Это физический предел, связанный с тем, что длины волн видимого света лежат в диапазоне 400-700 нм и потому такой свет будет огибать частицы меньшего размера.

Согласно общепринятому определению наночастицы это частицы имеющие хотя бы в одном измерении размер меньше 100 нм.

Надеюсь я убедил вас, что наночастицы (а молекулы и подавно) невозможно увидеть невооруженным глазом? А теперь давайте применим магию и сделаем невозможное.

Итак, поднесите ваши глаза ближе к монитору, сейчас я наложу на вас специальное заклинание, дающее способность видеть наночастицы и молекулы без микроскопа.

Произносим заклинания вслух:

Вингардиум Левиоса!

Валар Дохаэрис!

Ахалай-махалай!

крибле-крабле бумс!!!

Теперь давайте проверим наступил ли нужный эффект и посмотрим на эту фотографию.

На первый взгляд ничего необычного на фотографии нет. Предметы, которые есть во многих школьных лабораториях: чашка Петри диаметром ~6 см, внутри которой лежит обычное покровное стекло диаметром 2,5 см.

Но если вы присмотритесь, то уже без моей помощи на поверхности покровного стекла по центру можете разглядеть едва различимые очертания одной самой настоящей наночастицы квадратной формы. Видите ее?

Сразу скажу, никакого оптического zoom'а я не использовал, когда делал эти фотографии.

Если вы до сих пор не увидели наночастицу, то давайте я вам немного помогу. Красными стрелками на следующей фотографии я показал ее границы.

Что за херня, спросите вы?

Отвечаю: это квадратная наночастица, которая имеет размеры 15 мм в ширину, 15 мм в длину и... 0,33 нм в толщину. Таким образом, эта штука вполне соответствует определению понятия наночастица. В данном случае мы имеем дело с частицей самого настоящего графена, выращенной методом химического газофазного осаждения (CVD)  и затем перенесенной на покровное стекло для дальнейшего исследования.

Я посчитал и выяснил, что эта частица состоит из примерно 3 000 000 000 000 000 (трёх квадриллионов) углеродных атомов и весит около 60 нанограмм.

Для наглядности можете взглянуть ниже на 3D-модель, показывающую каким образом атомы углерода соединены в графене.

Шарики обозначают атомы углерода, а палочки это ковалентные связи, соединяющие атомы в виде шестиугольников. Кстати, вы замечали, как часто в кино и играх такие шестиугольные схемы стали использоваться для придания предметам и образам футуристичного вида?

Обращу ваше внимание на то, что графен это не только наночастица. Один лист графена также вполне подходит под определение такого понятия как молекула. Эта особенность графена стала лейтмотивом на одной из недавних конференций по графену в Академгородке в 2019 году, которая так и называлась Графен: молекула и 2D кристалл.

Поэтому теперь, вы можете смело говорить, что видели без микроскопа не только наночастицу, но и отдельную молекулу.

Прошу подумать еще одну интересную мысль. Графен, который вы видели, является слоем углерода толщиной в один атом. Теперь попробуйте осознать уровень чувствительности вашего глаза после применения мною специального магического заклинания? Вы смогли увидеть не просто молекулу, а молекулу толщиной в один атом O_o

Давайте теперь посмотрим как данная частица графена выглядит в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ).

Вот так выглядит тот самый край листа графена, который вы смогли увидеть на стекле невооруженным взглядом. Как видим, присутствует множество разрывов и царапин. Данный образец графена оказался на удивление крайне нежным материалом.

Часто в СМИ вы можете услышать, что графен самый прочный материал в мире. На одном из сайтов хороших отечественных производителей графена (кстати, выходцы одной из ведущих лабораторий по исследованию графена в России) вы можете прочитать следующие эпитеты по отношению к графену:

Самый тонкий
и оптически прозрачный

Прочный и непроницаемый
В 300 раз прочнее стали

Как видите, не стоит все научные клише воспринимать буквально. В реальности самый прозрачный материал не так уж и прозрачен. А самый прочный материал в мире рвется от дуновения ветра. Поэтому считайте, что теперь у вас есть еще одна бонусная суперспособность - вы можете голыми руками (на самом деле кончиком мизинца) рвать самый прочный материал во Вселенной. Халк уже плачет от зависти в сторонке.

При увеличении 2000 крат мы уже видим множество микроразмерных трещин толщиной всего в пару сотен нанометров. Поэтому, покупая графеновые презервативы, я бы 10 раз подумал стоит ли за громкими заявлениями реальное улучшение свойств продукта или это лишь манипуляции на модных научных терминах.

Также видим темные округлые пятна - это результат начала роста второго слоя графена во время CVD-процесса, своеобразные маленькие графенчики-зародыши. Данный эффект является одной из проблем, не позволяющих получать высококачественный однослойный графен для микроэлектронных девайсов. Поэтому заявление о слое лишь в один атом это тоже не совсем правда.

Ну и давайте взглянем на графен при еще большем увеличении в 50000 крат. Такое увеличение на обычном световом микроскопе достичь уже невозможно.

Островки графеновых зародышей на поверхности основного графенового листа видны здесь еще лучше. Также видны наноразмерные складочки графена. Выглядят прям точно, как когда пытаешься разгладить защитную пленку на экране смартфона. Ну и еще мы видим некоторое количество ярких наночастиц. Откуда они взялись? Хрен его знает. Возможно это частицы сажи или чего-то подобного, которые сорбировались из атмосферы. О наличии наночастиц в обычной строительной пыли был один из моих прошлых постов.

Не стоит думать, что возможность видеть слой графена на поверхности других объектов это какая-то уникальная особенность графена. Специально для вас, мои любимые читатели, я нарисовал наночастицами золота сердешко на алюминиевом диске.

А вот так оно выглядит в электронном микроскопе при небольшом увеличении в 30 раз. В режиме высоких увеличений четкой границы увидеть не удалось.

Толщина сердечка, которое вы видите, всего ~10 нм (толщина измеряется с помощью вот таких QCM весов, которые могут фиксировать изменение массы с погрешностью 1 нг/см2). Поэтому данное сердечко вполне отвечает формальным признакам наноструктуры. Вот такая вот нанолюбовь.

Мне будет трудно воспроизвести такой же софистический трюк, чтобы дать вам возможность увидеть собственными глазами без микроскопа другие молекулы, кроме графена. В плане сочетания свойств наночастицы и молекулы в одном флаконе графен достаточно уникален.

Но на самом деле молекулы видеть еще легче чем наночастицы. Чтобы увидеть наночастицы все таки приходится хоть немножко присмотреться, может быть даже слегка прищуриться. А вот молекулу часто можно увидеть без очков, имея зрение -40.

Если забить в google фразу "самая большая молекула", то вам вывалиться множество ссылок на статьи о биомолекулах: ДНК, белки, углеводы. Таким образом, все результаты на самом деле соответствуют запросу "самая большая органическая молекула". Все эти молекулы, несмотря на то, что они очень большие, почти невозможно разглядеть даже в электронный микроскоп. Но в этом есть некое лукавство. На самом деле просто как-то неловко говорить, что одна молекула может выглядеть примерно вот так.

Эту "молекулу" весом почти 1 кг вы можете купить на Ali Express всего за 10 тысяч рублей уже прямо сейчас. Это кристалл кварца. Все атомы кремния и кислорода в нем соединены ковалентными связями друг с другом. Если не верите, что это самая настоящая молекула, то давайте вместе посмотрим определение ИЮПАК:

An electrically neutral entity consisting of more than one atom (n>1). Rigorously, a molecule, in which n>1 must correspond to a depression on the potential energy surface that is deep enough to confine at least one vibrational state.

Или определение из Оксфордского словаря:

A group of atoms bonded together, representing the smallest fundamental unit of a chemical compound that can take part in a chemical reaction.

Мне больше всего нравится определение из Википедии:

A molecule is an electrically neutral group of two or more atoms held together by chemical bonds.

Определения молекулы в отечественных источниках выглядят примерно так:

Мельчайшая частица вещества, способная существовать самостоятельно и обладающая всеми свойствами данного вещества. Молекулы состоят из атомов. 

То есть молекула должна отвечать следующим требованиям:

1) быть электронейтральной;

2)  состоять из двух или более атомов, соединенных химической связью;

3) может участвовать в химических реакциях как индивидуальное химическое соединение;

4) может существовать самостоятельно.

На самом деле, здесь открывается широчайшее поле для споров и спекуляций на понятии "молекула". Доходит до того, что если не ограничиваться ковалентными связями, то молекулой можно назвать и внутреннее твердое ядро Земли или иной планеты. Такая вот молекула диаметром 2440 км. В случае кварца и подобных веществ, может быть множество возражений связанных с наличием доменной структуры, дефектов, неоднородностью свойств и др. Поэтому чаще всего самыми большими молекулами называют алмазы, которые более однородны по свойствам и мы в большей степени можем быть уверены в связывании всех атомов ковалентной связью. Так, в книге Chemie-Rekorde известного издательства научной литературы Wiley-VCH самой большой молекулой назван алмаз Куллинан - самый большой алмаз в мире. Он имеет размеры 100х65х50 мм и вес 621,35 грамма.

Девять самых больших "молекул" в мире - части алмаза Куллинан.

Тем не менее, в большинстве случаев ученые избегают называть алмаз молекулой. Несмотря на то, что индивидуальные алмазы и кристаллы кварца формально подходят под многие определения понятия молекула, использовать термин молекула по отношению к макрообъектам просто не имеет смысла. Даже небольшие изменения состава или структуры молекулы должны изменять ее химические свойства. Откалывая куски от алмаза, мы едва ли меняем его химические свойства. Поэтому для таких систем как алмаз и оксид кремния, где все атомы связаны ковалентными связями, как правило, используют такие термины как network covalent bonding или covalent crystal. При этом часто авторам статей трудно удержаться от соблазна отметить, что по сути эти структуры являются гигантскими молекулами. Граница между такими структурами и макромолекулами оказывается достаточно сильно размытой.

Ладно, гулять так гулять. Наберемся смелости и пойдем дальше. А вдруг мы можем увидеть и атомы без микроскопа? Удивительно, но "атомы", которые мы могли увидеть невооруженным взглядом намного больше по размеру, чем любые молекулы и наночастицы. Они имеют диаметр примерно в несколько десятков километров и их можно найти далеко за пределами солнечной системы в глубоком космосе. Я имею ввиду, такие необычные космические объекты как нейтронные звезды. Обычно аналогию между нейтронной звездой и атомом могут делать в некоторых, возможно, не в самых лучших научно-популярных источниках.

Тем не менее, некоторые ученые в кулуарах, также отмечают, что нейтронные звезды имеют нечто общее с тем, что мы обычно называем атомами.

Чарли Килпатрик, постдок в Калифорнийском университете, имеющий публикации в том числе в области исследований нейтронных звезд, отмечает следующее:

Это, безусловно, один из способов думать о нейтронной звезде. Если бы я спросил: «В какой момент что-то макроскопическое может вести себя как атом?», Я бы сказал, что это происходит, когда этот объект приближается к ядерной плотности. Нейтронные звезды имеют точно такую же плотность, что и атомы...
Делает ли это нейтронную звезду атомом? Исторически, атомом называют что-то чрезвычайно маленькое и неделимое, что является фундаментальным строительным блоком материи. Такое определение не очень полезно, потому что мы знаем, что вещи, которые мы называем атомами, на самом деле состоят из лептонов и барионов, которые состоят из кварков и т.д...
Является ли атом единственным примером элемента, разновидности частиц, состоящих из определенного числа протонов, нейтронов и электронов? Нейтронная звезда могла бы соответствовать этому определению, хотя [нейтронные звезды] явно скреплены не так, как атомы, и, возможно, в их центре есть какой-то другой вид вещества.
Я бы сказал, что нейтронные звезды демонстрируют поведение атома, и может быть полезно и информативно включить нейтронную звезду в модель, которую мы, физики, используем, чтобы говорить об атомах. Думая таким образом, можно получить глубокое понимание гравитации, ядерной материи и природы элементарных частиц.

Заключение

Наше мышление часто предполагает четкие границы для различных естественнонаучных терминов. Образование скрупулезно и педантично раскладывает в нашей голове все элементы нашего мировоззрения по полочкам, формируя строгую иерархию понятий: атомы - самые маленькие и неделимые; молекулы - следующая ступень организации материи, они крупнее; наночастицы еще более высокая ступень организации материи; а затем следуют большие макротела. Но в природе молекулы могут быть больше наночастиц, а "атомоподобные" объекты по размерам превосходить горы. Как видим, придуманные человечеством понятия для описания явлений природы достаточно условны. Реальный мир играет по своим правилам и часто не подчиняется придуманным человеком условностям.

Другие мои посты о наночастицах и веществах:

- Пост о том, когда появились нанотехнологии и кто их придумал?  Нанотехнологии индейцев майя.

- Пост о 5 артефактах древнего мира созданных с применением нанотехнологий.

-  Пост о том, как российские ученые “открыли новый вид” наночастиц в квартире Святейшего патриарха Кирилла?

- Покажите это, если вас упрекают за цитирование Википедии.