קטנות אבל גלויות לעינינו. באמצעות מיקרוסקופים חדישים צפו חוקרים לראשונה בדרך שבה המטען החשמלי משנה את המבנה של קבוצת אטומים

את הטענה "אין טוב ממראה עיניים" לקחה מעבדת המחקר של IBM בציריך צעד נוסף וחשוב קדימה. בעזרת שיטות מיקרוסקופיה חדשניות הם הצליחו לראות לראשונה מולקולות בודדות במצבי טעינה שונים.

אטומים שמחוברים יחד בקשר כימי נקראים מולקולה. היא יכולה להיות שני אטומים שמחוברים יחד במולקולות קטנות כמו גז החמצן (O2), או אטומים רבים שקשורים זה לזה במבנים גדולים ומורכבים, כמו מולקולת ה-DNA. המבנה התלת-ממדי של המולקולה, כלומר הסידור של האטומים במרחב, נקבע על ידי תכונות האטומים שמרכיבים אותה וגם אופי הקשרים ביניהם ומספרם.

מולקולות הן אבני הבניין של כל העולם הביולוגי, על יצוריו המדהימים והתהליכים המורכבים שמאפשרים את החיים. מדובר במערכת מורכבת להפליא שיכולה לפרק חומרים וליצור חומרים חדשים, להפיק דלק מאור השמש ולשרוד בתנאים קיצוניים. כל זה נעשה באמצעות שלל מולקולות בעלות תכונות כימיות ופיזיקליות שונות שנקבעות במידה רבה על ידי המבנה המרחבי שלהן והפיזור של מטענים חשמליים לאורכן ולרוחבן.

מאחר שמבנה המולקולה משפיע מהותית על יכולתה להגיב כימית עם מולקולות אחרות, להעביר מטענים חשמליים ולבלוע אור, חשוב מאוד שנוכל לפענח אותו. היכולת לראות בצורה ישירה את המאפיינים האלה תעמיק את הבנתנו ותתרום לפיתוחים באלקטרוניקה ובזירוז תגובות כימיות.

בסרטון - השינויים המבניים במולקולת פּוֹרְפִירִין עם השינוי במספר האלקטרונים של אטום ברזל: 

למקומות, היכון, טען!

במחקר הנוכחי הצליחו לראשונה לפתח תהליך דימות שמאפשר לצפות במבנה המרחבי של מולקולות בקנה מידה של אטומים אחדים, כשמוסיפים לה או גורעים ממנה אלקטרונים ומשנים את מאזן המטענים הכולל בה. כך אפשר לעקוב אחר שינויים במבנה המולקולה בעקבות השינוי במטען החשמלי שלה.

כדי ליצור תמונות של מולקולות במצבי טעינה שונים ברמת הפרדה (רזולוציה) חסרת תקדים, שילבו החוקרים שתי טכניקות חדשניות. אחת מאפשרת לדמות את המולקולה בקנה מידה של אטומים אחדים, והאחרת מאפשרת לשנות את מצב הטעינה שלה. כל זה נעשה במיקרוסקופ כוח אטומי מתקדם הדוגם את האזור בעזרת חוד קטנטן, שמחובר לקורה קפיצית זעירה. החוד יורד ועולה מהמשטח בתדירות גבוהה וכל עצם שנמצא על המשטח, אפילו אטומים בודדים, משנה מעט את מיקום הקורה. קרן לייזר מאפשרת לעקוב אחרי השינויים הזעירים וליצור תמונה שמאפשרת לראות אטומים שגודלם פחות ממיליארדית המטר.

במהלך הסריקה הפעילו מתח חשמלי בין החוד למשטח, כך שמדי פעם הצליח אלקטרון, שמטענו שלילי, להיקלט במולקולה ולשנות את מטענה. לחילופין, כשהופעל מתח חשמלי בכיוון ההפוך, אלקטרון מהמולקולה היה יכול להימשך אל החוד ולהותיר את המולקולה במצב טעינה אחר. שינוי המטען מביא לשינוי בפיזור האלקטרונים ברחבי המולקולה, וכך עשוי לשנות מהותית את תכונותיה – החל במבנה המרחבי שלה וכלה ביכולת שלה לעבור תגובות כימיות.

החוקרים דגמו ארבע מולקולות וחזו במגוון תופעות שנובעות מהוספת אלקטרונים לכל מולקולה או גריעתם. במולקולת אזו-בנזן הם צפו במבנה המרחבי שלה מתעוות עקב שינוי המטען החשמלי שלה. במולקולת פנטצן צפו איך פיזור האלקטרונים החדש, שקורה אחרי הוספת שני אלקטרונים למבנה שלה, מגביר את נטייתה להשתתף בתגובה כימית. בשתי המולקולות הנוספות הם צפו בשינוי סוג הקשר הכימי, מקשר יחיד לקשר כפול, ובשינויים באורכו, כלומר במרחק בין האטומים המעורבים בקשר.

מעבר להישג הטכנולוגי המדהים, היכולת להתבונן ישירות לקרבי המולקולות בזמן שמשנים את הטעינה שלהן, תשפר את הבנתנו ביחסי הגומלין בין מטענים חשמליים ומבנה המולקולה ותאפשר לנו להבין תהליכים ביולוגיים חשובים. כמו בכל פריצת דרך מדעית, כשמסתכלים על דברים שלא נצפו בעבר, מתגלות לא פעם הפתעות בלתי צפויות.

צפו בסרטון קצר של IBM על טכניקת ההדמיה החדשה (באנגלית):