Электронный микроскоп: прибор, позволяющий разглядеть атомы

Оговорка: я не физик, но постарался как можно понятнее объяснить, как всё это устроено. Если заметите неточность, напишите в комментариях — я с радостью исправлю.

В шестом классе я отказывался верить, что человек состоит из молекул.

Мне казалось, что всё живое построено из клеток, а молекулы встречаются только в неживой природе — например, в стуле. Когда за этот ответ мне поставили заслуженную двойку, в голове у меня никак не складывалась картина мира…

Со временем я повзрослел. Теперь я знаю, что клетка состоит из органелл, а те, в свою очередь, из молекул. Органеллы — это ядро с генами, митохондрии и прочее, и прочее… Но откуда нам известно, что всё устроено именно так?

Давайте подключим критическое мышление и взглянем на снимок клетки, сделанный на очень дорогом микроскопе. В это оборудование вложили полмиллиона евро, чтобы вы могли заглянуть внутрь как можно глубже и разглядеть всё как можно чётче.

Видите ядро? А гены внутри него? Хорошо, а хотя бы одну молекулу? Перед нами сплошная каша, в которой ничего не разобрать.

Здесь четыре клетки. В каждой лежит крупное пятно в форме фасолины — это ядро. Всё остальное — загадка. Ни один специалист не скажет вам, где тут какая органелла, а о молекулах и говорить нечего.

Нам рассказывают про молекулы со школьной скамьи, но увидеть их невооружённым глазом физически невозможно. Что вообще значит «увидеть»? Частица света вылетает из лампы, сталкивается с молекулой, отражается в ваш глаз, и мозг делает вывод: ага, вот оно что!

Однако молекулы настолько крошечные, что на их фоне частица света — настоящий гигант. Она беспрепятственно проходит сквозь них и летит дальше, словно ничего не встретила на пути.

🫠 Врезка для педантов. Если вам и так не хватает воздуха, смело пропускайте. Строго говоря, у частиц света нет никакого размера. Гораздо важнее их длина волны — именно её я изобразил на рисунке. Поскольку у света она довольно большая, мелкие объекты разглядеть не получается.

Всё, что меньше длины волны света, увидеть невозможно! А ведь именно там скрывается масса любопытного: атомы, многие вирусы, часть бактерий, гены — всё это недоступно человеческому глазу.

Откуда же тогда известно, что всё это существует?

Действительно, собственными глазами мы этого не увидим. Зато можем сфотографировать микромир с помощью весьма необычных «фотоаппаратов» — электронных микроскопов.

Похоже на инопланетное орудие — и недалеко от истины!

Верхняя труба — это метровая электронная пушка. Она обстреливает всё, что вы поместите внутрь, пучком элементарных частиц — электронов. С их помощью микроскоп «ощупывает» поверхность объекта, а затем рисует её на экране.

Звучит так, будто можно выступать на РенТВ! А какие получаются кадры…

Три месяца (правда, в лаборатории я бывал в лучшем случае раз в неделю, но это детали) я учился обращаться с этим самым электронным микроскопом. Выяснилось, что это совсем не то же самое, что сделать селфи на айфон…

Как это работает?

Для начала разберёмся с принципом действия электронного микроскопа. Элементарные частицы, которыми он ощупывает поверхность, — это электроны.

Те самые, что входят в состав атомов и бегут по проводам в вашей квартире. Они до того крошечные, что, по мнению физиков, у них вообще нет размера.

Принцип довольно простой. Электронный микроскоп берёт электроны из розетки и направляет их на то, что вы хотите изучить.

Для этого наверху установлена большая электронная пушка — да, именно так она и называется. Она фокусирует электроны и производит прицельный выстрел. Но электроны всё равно норовят разлететься в стороны, поэтому специальные магниты удерживают их в узком пучке.

Затем пучок электронов сталкивается с коронавирусом или с чем угодно, что вы снимаете, и отражается в специальную камеру на дне микроскопа. Камера анализирует сигнал и в итоге выдаёт красивый чёрно-белый снимок.

Вот и весь принцип!

Без шуток: такое простое устройство позволяет заглянуть в мир практически бесконечно глубоко. Насколько именно? В Японии есть настоящий исполин — мегавольтный электронный микроскоп.

Своё название он получил потому, что электроны в нём разгоняются при напряжении около 2–3 миллионов вольт — словно в небольшой молнии. Чем выше напряжение, тем короче длина волны электронов и тем более мелкие объекты они позволяют различить.

Этого хватает, чтобы разглядеть отдельные атомы!

Бриллиантовый микроскоп

Перейдём к практике — не зря же я добрался до настоящего электронного микроскопа!

Допустим, вы решили сфотографировать атом и тем самым доказать его существование. Что для этого понадобится?

Для начала — смириться с разочарованием. К сожалению, в моём университете таких микроскопов нет. Наши, университетские, способны показать лишь «жалкий» молекулярный уровень — например, строение клеток нашего тела. Увы, мы не в Японии и даже не в РАН.

Разочарование № 2. Электроны не способны пролетать сквозь воздух. Именно поэтому из розетки ток не бьёт во все стороны, и вы до сих пор живы.

Значит, внутри микроскопа необходимо создать космический вакуум — только тогда электроны смогут свободно перемещаться и «фотографировать». Иначе они будут сталкиваться с молекулами воздуха, и никакого изображения вы не получите.

Разочарование № 3. Знаете, что произойдёт с обычной клеткой в таком вакууме? Примерно через пикосекунду она разлетится на части, как человек без скафандра в открытом космосе, и снимать будет нечего.

Поэтому перед исследованием от клеток сохраняют жёсткий каркас. Для этого их на несколько недель погружают в тетраоксид осмия — это своего рода клей. Заодно осмий, будучи тяжёлым металлом, обеспечивает отличный контраст на готовом снимке.

Осмий чудовищно ядовит. Всё, с чем он контактирует, либо чернеет, либо растворяется. Попадёт на кожу — считайте, что вы поздоровались с будущим раком. Поэтому в нашей лаборатории для работы с ним выделена отдельная комната.

Более того, у нас его хранят в стеклянных ампулах, которые лежат в пластиковом кейсе, завёрнутом в газету, которая спрятана в коробке, которая заперта в сейфе, а ключ от него есть лишь у одного человека. Настолько все боятся осмия.

Клетке же уже всё равно. Сверхтоксичный осмий намертво закрепит её остатки, и в вакууме с ней ничего не случится. Неприятная кончина.

Когда клетка выдержана в осмии хотя бы час, её заливают эпоксидной смолой. Выглядит это так:

Если поместить весь этот кусок смолы в электронный микроскоп, вы ничего не разглядите: он слишком толстый, и все электроны просто увязнут в эпоксидке. Поэтому её нужно нарезать на тончайшие срезы толщиной… 90 нанометров. Это примерно как… вирус гриппа??? Хотя нет, грипп чуть толще.

Словом, придётся потрудиться. Для этого нужен вот такой прибор:

Это автоматический слайсер 3 000, который называется микротомом. В него нужно вставить фрагмент эпоксидки.

Кстати, обратите внимание: этот микротом выпустила компания Leica — на снимке виден логотип. Та самая фирма, что делает топовые фотоаппараты, о которых я всегда мечтал. Вот это диверсификация бизнеса…

Далее, глядя в микроскоп, бритвенным лезвием нужно вырезать крошечную пирамидку. Это безумно сложно. Я возился около часа и дважды всё испортил: ширина пирамидки должна составлять всего одну десятую миллиметра.

Я такое даже не различаю глазами, а здесь это нужно вырезать руками. Пирамидка необходима для того, чтобы срезать с её вершины тончайшие слои, которые поместятся в электронный микроскоп (крупные образцы в этот прибор попросту не входят, так что приходится мучиться).

После часа мучений наступает самая красивая часть: нужно изготовить нож, который доведёт пирамидку до идеальной формы. Чтобы лезвие было предельно острым, мы делали его сами, вручную, из осколков стекла. Оно намного острее любого металлического.