Имитация воды в миниатюрах | Журнал Ярмарки Мастеров

Обычно, миниатюристы используют эпоксидную смолу для симуляции воды и других жидкостей. Если вы видели различные напитки, блестящие соусы на еде, сырые яйца, супы или другие жидкости в кукольных миниатюрах, а также видели прекрасные водные эффекты в железнодорожных или пейзажных сценах, возможно, вы смотрели на изделия из эпоксидной смолы.

Когда вы приготовите такую смесь, она затвердеет, станет блестящей и прочной. Ее можно заливать в несколько слоев, чтобы создать эффект глубокой воды.

Только слой в 3 или 6 мм материала можно залить за один раз. Вы не сможете залить один толстый слой этого материала. Например, глубокую воду можно сделать только в несколько слоев.

Что такое двухкомпонентная прозрачная эпоксидная смола?

Двухкомпонентная прозрачная эпоксидная смола – это глянцевое покрытие, полученное из смеси эпоксидной смолы и затвердителя. Купить ее можно в специализированных магазинах по рукоделию и творчеству . Основное применение материала – стойкий и сильный блеск, после того, как он затвердеет. Двухкомпонентную эпоксидную смолу продают в наборе (две баночки: одна с затвердителем, а другая – с эпоксидной смолой). Когда эти два компонента смешать в равных количествах, смесь нагревается, затем становится гелеобразной, а после этого полностью затвердевает.

Краски, красители и наполнители можно добавлять в смесь для того, чтобы симулировать цвета и текстуры. Краски должны быть подходящими для работы с эпоксидной смолой. Другие красители могут вступать в реакцию с эпоксидкой и разрушать ее нормальные свойства.

Безопасная работа
Работать с эпоксидными смолами необходимо только в хорошо проветриваемом помещении. Вы должны избегать вдыхания паров (пары эпоксидной смолы намного легче, чем пары других химикатов, которые используются для симуляции воды), а также желательно надевать при работе с эпоксидной смолой перчатки и защитные очки для защиты рук и глаз от случайного попадания брызг. Продукт реализуется с доступной инструкцией для безопасного применения.

Это не тот продукт, который могут использовать дети. Поэтому бутылочки с эпоксидной смолой и затвердителем стоит хранить вдали от детей.
Медицинский или обычный спирт может быть использован для того, чтобы удалять расплесканную жидкую смолу с поверхностей и инструментов.

Смешивание
Два компонента должны быть полностью перемешаны вместе в одном контейнере (который после работы нужно выбросить). Материал, из которого сделан контейнер, не должен вступать в реакцию с эпоксидкой. Хорошо для работы с миниатюрами подходят маленькие пластиковые стаканчики с мерными отметками (например, такие продают вместе с сиропом от кашля), в которых можно смешать два компонента смолы. Если же у вас ничего такого нет под рукой, можно использовать и одноразовые шприцы, для того чтобы отмерить нужное количество материала.

Эпоксидную смолу нужно смешивать, тщательно измерив точное количество смолы и затвердителя (1:1). Возможен и такой вариант: вы измеряете нужное количество эпоксидной смолы, выливаете в одноразовый стаканчик, а затем в другой стаканчик до такого же уровня добавляете затвердитель.
Когда у вас получатся две равные порции, вы выливаете эпоксидную смолу в посудину с затвердителем и тщательно перемешиваете эти два компонента деревянной палочкой.
Затем, когда компоненты хорошо вымешаны в контейнере, вы переливаете их обратно в контейнер, где была эпоксидная смола, чтобы убедиться, что вы использовали компоненты в равных количествах, и то, что осталось на дне первой посудины, использовано полностью.

Удаление пузырей
Смешивание эпоксидной смолы и затвердителя приведет к образованию пузырьков. Если вы подуете на смесь, пузырьки полопаются из-за того, что в вашем дыхании присутствует углекислый газ. Если вы будет заполнять маленькие бутылочки, баночки, стаканы или кувшины, оставьте эпоксидку на несколько минут, чтобы из нее вышли газы, перед тем, как перелить ее в ту посудину, в которой она будет затвердевать.

Условия работы
Большинство производителей эпоксидной смолы указывают в инструкции время приблизительно 30 минут до того момента, пока смола станет гелеобразной (это время зависит от температуры в помещении). Большинство двухкомпонентных эпоксидных смесей затвердевают приблизительно через 8 часов при температуре 21˚С. Но их нельзя использовать при влажности в помещении около 50%, иначе они могут затуманиться. У материала есть срок годности, по крайней мере год, если он хранится в плотно запечатанном контейнере. Изделия из эпоксидной смолы пожелтеют, если их выставить под прямые солнечные лучи.

Имитация жидкости с помощью двухкомпонентной прозрачной эпоксидной смолы

Эпоксидная смола оседает в плоскую поверхность. Она медленно тянется вниз по стенкам посудины. Чтобы сделать имитацию неподвижной воды, вам нужно будет применить окончательное выравнивание для ее поверхности, чтобы убрать «торчащие» края, которые образовываются после стекания массы по стенкам.

Планируйте свою работу тщательно. Возможно, вам понадобится приклеить детали, перед тем как заливать в банку смолу. А также, может, придется добавлять детали с каждым слоем (например, чтобы сделать реалистичную среду с рыбами или головастиками на разном уровне, баночки с фруктами или овощами, которые не опускаются на дно).
Если вы задумали сделать симуляцию таящего желе, мороженого или пролитого напитка, позвольте эпоксидной смоле стать гелеобразной, перед тем, как наливать ее. Таким образом, у вас получится более толстый слой, чем если бы вы наливали ее сразу же после смешивания.

Для того, чтобы сделать мокрый след или эффект лужи, но с тем условием, что потом нужно будет удалить этот эффект с поверхности, налейте смолу на гнущуюся пластиковую поверхность. Оторвите пластмассу от «лужи», а затем поместите «лужу» на пол в кукольном домике без выливания смолы на пол.
Есть и другие продукты, которые подходят для эффекта бегущей воды лучше, и большинство из них могут комбинироваться с затвердевающей двухкомпонентной прозрачной эпоксидной смолой.

Советы и подсказки

Эпоксидные смолы не будут легко отставать от формы. Не используйте их для того, чтобы сделать кукольное желе или другие вещи, которые надо будет извлекать из формочек.
Неправильное смешивание приведет к тому, что эпоксидная смола не затвердеет. Отмеряйте хорошо, перед тем, как будете смешивать.
Когда будете наполнять контейнер с маленьким горлышком, наполняйте его по капле с кончика булавки или зубочистки. Либо используйте одноразовую пипетку или шприц.
Избегайте работы в холодном и влажном помещении, иначе смола может затуманиться.
Используйте специальные краски для работы с эпоксидной смолой. Совместимые краски бывают прозрачными или полупрозрачными, а цвета можно смешивать.

Некоторые пластмассовые детали могут растворяться в эпоксидной смоле. Проверьте, не испортятся ли краски или основы от смолы, прежде, чем работать с ними.

ЛЁГКАЯ, КАК ВОЗДУХ, ЖИДКАЯ, КАК ВОДА

С мыльной пеной мы с вами сталкиваемся каждый день, когда моем руки, принимаем ванну, моем посуду, стираем бельё. Но задумывались ли вы, откуда эта самая пена берётся?

Наука и жизнь // Иллюстрации

Фото А. Ефремкина.

Мыло получают из жира и щёлочи. В молекуле мыла гидрофобный (не любящий воду) «хвост», позаимствованный у жирной кислоты, состоит из длинной цепочки атомов углерода и связанных с ними атомов водорода.

Попав в воду, молекулы мыла выстраиваются на поверхности «головой» вниз, в воду, а «хвостами» — вверх, в воздух.

Отдельные ячейки пены разделены двойным слоем молекул мыла, между которыми находится вода.

Идеальная ячейка мыльной пены. Рёбра между отдельными плёнками представляют собой каналы треугольного сечения.

Плёнка поверхностно-активного вещества обволакивает частичку грязи, и грязь легко смывается с поверхности.

Опыт с поверхностным натяжением.

‹

›

Проведём простой опыт: возьмём пластиковую бутылку, нальём в неё немного чистой воды, закроем крышкой и встряхнём. На поверхности воды появится множество пузырьков, но буквально через несколько мгновений они исчезнут. А теперь добавим в бутылку чуть-чуть мыла (можно взять жидкость для мытья посуды), снова закроем крышкой и энергично взболтаем содержимое. Воздушная, переливающаяся всеми цветами радуги пена заполнит бутылку доверху. И вам придётся долго ждать, пока она осядет…

МОЛЕКУЛА-«КЕНТАВР»

Что же такое содержится в мыле, что влияет на способность воды образовывать пену?

Давайте для начала рассмотрим, как устроена молекула мыла.

Она, подобно мифологическому Кентавру, состоит из двух частей с совершенно разными свойствами. «Голова» молекулы взята у гидрофильного вещества, то есть такого, которое любит воду (слово «гидрофильный» происходит от греческих слов ύδωρ — читается «хидор» —вода и φιλία — читается «филиа»—любовь). Длинный хвостик в молекуле мыла позаимствован у жира. Жиры воды «боятся» и не растворяются в ней, поэтому их называют гидрофобными (от греческого слова φόβoς — читается «фобос» — страх).

Когда такие молекулы попадают в воду, они выстраиваются вдоль границы, разделяющей воду и воздух таким образом, что водолюбивые «головы» погружены в воду, а водобоязливые «хвостики» торчат в воздух. Получается, что поверхность воды покрыта тончайшей мыльной плёнкой.

РОЖДЕНИЕ ПЕНЫ

Мыло называют поверхностно-активным веществом. Оно снижает поверхностное натяжение воды, то есть ослабляет силы, притягивающие молекулы поверхностного слоя друг к другу. Именно из-за высокого поверхностного натяжения чистой воды из неё не удаётся получить устойчивую пену: пузыри почти мгновенно «схлопываются» в капли. Мыло поразительным образом меняет картину: даже небольшое его количество уменьшает поверхностное натяжение почти втрое!

Когда мы встряхиваем бутылку с мыльным раствором, пузырьки воздуха как бы обволакиваются слоем молекул мыла. Мыльные пузыри поднимаются на поверхность, соприкасаются друг с другом — и вот уже образовалась пена: лёгкая, ячеистая структура из множества многогранников.

ПЕННАЯ МАТЕМАТИКА

В XIX веке изучением строения мыльной пены всерьёз увлёкся бельгийский учёный Жозеф Плато. Он первым обратил внимание на то, что в каждом ребре, разделяющем пенные многогранники, всегда сходятся три плёнки, ни больше и ни меньше. Оказалось, что сами плёнки — двойные, а рёбра между ними — это каналы, заполненные жидкостью. Пена оседает, потому что вода понемногу стекает по каналам вниз.

Ж. Плато нашёл способ поставить мыльные плёнки на службу математике. Он опускал в мыльный раствор проволочные рамки различной конфигурации и наблюдал, какую форму принимает мыльная плёнка. Эти опыты способствовали развитию пространственной геометрии (стереометрии). Заметим, что из-за поверхностного натяжения площадь мыльной плёнки стремится к минимуму. Поэтому мыльные пузыри, выдуванием которых увлекаются и дети и взрослые, имеют почти идеальную сферическую форму.

Пена состоит из множества пузырей, которые соприкасаются друг с другом. Наиболее выгодной формой мыльного пузыря в составе пены с точки зрения минимизации поверхностного натяжения оказался додекаэдр. Он напоминает угловатый шар, образованный из 12 соединённых гранями пятиугольников.

ЧТО УМЕЕТ ДЕЛАТЬ ПЕНА

Прежде всего, мыльная пена — отличное средство для очистки поверхностей от грязи. Частички грязи, содержащие жир, водой не смачиваются. Попробуйте отмыть испачканные чем-то жирным руки просто тёплой водой. Результат, скорее всего, будет неудовлетворительным. А если руки как следует намылить, молекулы мыла прилипнут своими гидрофобными «хвостами» к молекулам жира и образуют вокруг частичек грязи тонкую оболочку из мыльной плёнки. После этого грязь легко оторвётся от кожи и смоется водой.

У обычного мыла, сделанного из натурального жира и щёлочи, есть один существенный недостаток: оно плохо мылится в жёсткой воде. Поэтому жидкости для мытья посуды, стиральные порошки, шампуни и другие средства бытовой химии сейчас делают на основе синтетических поверхностно-активных веществ, которым жёсткая вода нипочём.

Мыльная пена освоила и другие «профессии». Например, её используют при добыче минеральной руды, чтобы отделить полезный минерал от пустой породы. Такой метод называют флотацией. Пену применяют при бурении скважин, при тушении пожаров, для удаления разлившейся нефти.

Пену создаёт не только мыло. Поверхностно-активными свойствами обладают и другие вещества, в том числе белки. Например, взбитые сливки сохраняют воздушную структуру благодаря белкам молока.

ФИзПРАКТИКУМ

ОПЫТ С ПОВЕРХНОСТНЫМ НАТЯЖЕНИЕМ

Наполним стакан водой до краёв. Аккуратно добавим сверху ещё несколько капель воды. Её уровень поднимется чуть выше краёв стакана, но вода не выльется, словно удерживаемая тонкой плёнкой. Откуда берётся эта плёнка? Её создают молекулы воды, расположенные на поверхности, на границе с воздухом. Они более прочно связаны друг с другом, чем молекулы в толще воды, потому что силы, действующие на них сверху, со стороны воздуха, гораздо слабее сил, действующих на них снизу.

Поверхностная плёнка настолько прочна, что может выдержать вес небольшого металлического предмета, например иголки или канцелярской скрепки.

Осторожно опустите скрепку на поверхность воды. Она будет плавать до тех пор, пока вода не смочит металл. Для удобства можно положить скрепку на полоску рыхлой бумаги, вырезанную, скажем, из бумажного полотенца. Бумага намокнет и опустится на дно, а скрепка останется на поверхности. Чтобы опыт получился, скрепка обязательно должна быть сухой. А если её смазать жиром — результат гарантирован.

С поверхностным натяжением связаны явления смачивания и подъёма жидкости по тонким трубкам — капиллярам.

Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у ртути, поэтому маленькие капли ртути имеют форму почти идеальных шариков.

Женский сайт. Психология, отношения, красота, самореализация

Изначально я контактировала только с эфирными маслами. Мне казалось, берешь 2-3 масла, смешиваешь, меняешь пропорцию и снова оцениваешь результат. В принципе, теория с практикой где-то пересекаются) Но я-то все делаю, исходя из моих собственных предпочтений. Поэтому и запахи получаются чем-то похожими: сладковатые, терпкие, а порою ведь хочется и кислинки, легкости. Поэтому я все еще в поисках.

И параллельно с личными поисками я держу в голове воссоздание в домашних условиях любимой «второй молекулы». Я знаю, что большое количество ингредиентов – это не о молекуле. И вместе с тем я неоднократно слышала о таком страшном слове, как изопропилмиристат в ее составе. Именно с ним рекомендуют смешивать амброксан, чтобы потом уже готовую смесь растворить в спирте.

Как я говорила выше, дальше эфирок я долго не заходила. А тут – амброксан, изопропилмиристат… И я решила не ждать второго ингредиента, а делать из того, чем уже располагаю. Как результат, недавно я впервые применила амброксан, даже несмотря на его порошкообразную консистенцию. Сначала опасалась – да как же его применять? И, конечно из-за этого руки до столь полезного ингредиента не доходили. В этот раз они дошли, смешали амброксан со спиртом (пришлось задействовать тепло – поместила колбочку в чашку с теплой водой. Благо, с пропорцией угадала, все качественно растворилось). Удивительно, но аромат получился приятным, оочень схожим со второй молекулой.

Но. Так как вечером я ощущала этот аромат остро, то решила разносить его на работе. Увы, аромата я не услышала. А какой смысл в духах, если ты не получаешь от них удовольствия? Что самое для меня загадочное – родные и близкие слышат этот запах, просят даже в душ повторно сходить, потому что ну слишком уж он ощущается).
А я слепа к запаху. Вот не слышу вообще.

Спустя пару дней я решила доработать исходный вариант парфюма, поэтому добавила туда кашмеран и white musk. Сразу после добавления (и даже спустя несколько часов) аромат кажется откровенно сырым. Хотя приятные и даже сладковатые ноты звучат четко, запах напоминает о себе в течение 3 часов минимум. Посмотрим, как аромат покажет себя завтра, спустя пару дней.

На очереди – изопропилмиристат + амброксан. Эксперименты не заканчиваются 🙂

Из чего сделать имитацию воды если нет эпоксидки (обзор типа))



Поделиться:

Итак, дома нашлось:
1. Лак акриловый, прозрачный, глянцевый.
2. Клей Момент Кристалл.
3. Лак паркетный, бесцветный, глянцевый.
4. Клей БФ-6, медицинский
5. Детские витражные краски (ну на стекле то они почти прозрачные)
6. Герметик силиконовый, прозрачный
7. Жидкие гвозди (Момент кажется), тоже прозрачный вариант.
8. Клей Титан (купила, пока эпоксидку искала, на всякий случай)
В роли емкостей — бабинки от проволоки, толщина заливаемого слоя примерно 5мм (до краев).
Фото после заливки и фото через 5 дней (что высохло) ) В процессе заливки насыпала всякие блестяшки, бусинки, пыталась подкрасить витражными красками. В общем, смотрите сами что получилось (фоток много))))

Лак акриловый. Бесцветный (когда высохнет), кинула бусинок на дно, подкрашивать не рискнула (пусть сперва прозрачным такой слой высохнет!).

Получилась фигня… 🙁 Остались какие-то дырки. Сам лак прозрачным не стал. Плюс усох раза в два. Да высыхал дня три…

Момент кристалл. Залился красиво, с витражной краской перемешался нормально, но пузырей внутри было много (не думаю это от моего перемешивания с краской, просто такой он, Момент), кинула бусинку.

Высох быстро. На след день был сухой. За время высыхания пузырей добавилось, все полсантиметра клея усохли в тонкую пузырчатую пленку по форме емкости))) Ну так, если тину болотную имитировать))))

Лак паркетный… Ну видимо на паркете он бесцветный)))) С блестками и бусинками нормально перемешался, не помутнел, никакой реакции не было.
С витражной краской не подружился, получилась мутная субстанция(в правом верхнем отделении). Зато капельки краски (если не перемешивать) очень красиво упали (на фото, синие, как бусинки — это витражная краска)

Ооооооо… он еще сохнет…. 5 дней — не срок. Хотя сверху уже можно ногтем поковырять 🙂 но еще мягкий внутри.
Цвет не бесцветный. В процессе сушки появились какие-то большие воздушные пузыри. Капельки из краски растеклись(очень красиво выглядит в реальности). В принципе мне понравилось. Если б не желтый цвет, то в несколько слоев можно было бы позаливать.
В общем есть над чем пофантазировать).
Усох, кстати, не очень. Уровень упал на 1/4 от начального объема.

Клей БФ-6, обычный, медицинский. Вообще он мне очень понравился — смешался с краской хорошо, пузырей не было. Бусинку не видно)))

Сох дня два. Высох в очаровательную пленочку))) В общем для озера не подойдет, но на какие-то другие поделки может прокатить (делают же у нас в стране деревья из ПВА)

Витражные краски. Слишком темные…. Видимо на то они и витражные, чтобы на прозрачные изделия их наносить…

Сохли дня три. Получилось очень интересно, но для озера не подойдет. А вот какую-то лужицу вполне можно изобразить) После высыхания объем не сильно изменился.

Жидкие гвозди прозрачные (слева) и герметик силиконовый прозрачный (справа). Витражной краской краситься отказались))) В герметике она стала комочками, в гвозди ее лить даже не стала…

Итог: если герметик еще и может прокатить под водную поверхность (слегка мутноватую), то для гвоздей можно найти другое применение (не особо то они и прозрачные с таким слоем спустя пять дней, может еще посушить?)
Объем вообще не изменился.

Клей Титан. С витражной краской перемешался хорошо. Бусинки не кидала, насыпала блесток…
Через пару часов блестки прератились в пузыри, долила еще клея, без украшений.

Сох дня три-четыре. Объем уменьшился в два раза. Блестки частично растворились в пузырьки (видимо реакция какая-то прошла таки). Получилась полупрозрачная пузырчатая масса. Выглядит в реальности симпатичней, чем на фото. Тот клей, что по краям доливала, высох нормально. В принципе если аккуратно наливать, то можно избежать пузырей. Лучше заливать его в несколько слоев (предварительно высушив предыдущий)

Вот, выкладываю анализ материалов, из которых возможно сделать имитацию воды в поделках. 

Предыстория — очень нужно было озеро. Перерыла всю страну и интернет в общем не пропустила. Два наиболее популярных способа: гелевые свечки и эпоксидка.

1. Эпоксидка, конечно здорово, но я в своем городе не нашла где ее купить (толи не там искала, толи не теми словами консультантов мучила, не знаю), что уж говорить о небольших городах? Буду искать дальше, конечно, но пруд из нее сделаю не в этот раз, видимо.

2. Гелевая свечка — недорого, везде можно купить да и у почти всех наверняка есть парочка придаренных когда-то кем-то. Почему я отмела этот метод? Гель он и есть гель. Ткнул пальцем и хана озеру. В общем мне нужно было чтоб «на века»

Надеюсь, мой опыт поможет Вам выбрать что-то подходящее (и не только для озер-водопадов). Если есть замечания-дополнения, пишите, буду только рада 

 

ПС: я остановилась на Титане, стоит конструкция…сохнет…

Взгляни на атомы, прикоснись к молекуле

Аркадий Курамшин,
кандидат химических наук
«Химия и жизнь» №5, 2017

Принялся Трурль ловить атомы, соскабливать с них электроны, месить протоны, так что лишь пальцы мелькали, приготовил протонное тесто, выложил вокруг него электроны и — за следующий атом; не прошло и пяти минут, как держал он в руках брусочек чистого золота: подал его морде, она же, на зуб брусочек попробовав и головой кивнув, сказала:
— И в самом деле золото, только я не могу так за атомами гоняться. Слишком я большой.
— Ничего, мы дадим тебе особый аппаратик! — уговаривал его Трурль.

Станислав Лем, «Кибериада»

Можно ли с помощью микроскопа разглядеть атом, отличить его от другого атома, проследить за разрушением или образованием химической связи и увидеть, как одна молекула превращается в другую? Да, если это не простой микроскоп, а атомно-силовой. А можно и не ограничиваться наблюдением. Мы живем в то время, когда атомно-силовой микроскоп перестал быть просто окном в микромир. Сегодня этот прибор можно использовать для перемещения атомов, разрушения химических связей, изучения предела растяжения одиночных молекул — и даже для исследования генома человека.

Буквы из ксеноновых пикселей

Рассмотреть атомы не всегда было так просто. История атомно-силового микроскопа началась в 1979 году, когда Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в Исследовательском центре компании IBM в Цюрихе, приступили к созданию прибора, который позволил бы изучать поверхности с атомным разрешением. Чтобы придумать такое устройство, исследователи решили использовать эффект туннельного перехода — способность электронов преодолевать, казалось бы, непроходимые барьеры. Идея состояла в том, чтобы, измеряя силу туннельного тока, возникающего между сканирующим зондом и изучаемой поверхностью, определять положение атомов в образце.

У Биннига и Рорера получилось, и они вошли в историю как изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), а в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике. Сканирующий туннельный микроскоп совершил настоящую революцию в физике и химии.

В 1990 году Дон Айглер и Эрхард Швайцер, работавшие в исследовательском центре IBM в Калифорнии, показали, что СТМ можно применять не только для наблюдения за атомами, но для манипулирования ими. С помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа они создали, возможно, самый популярный образ, символизирующий переход химиков к работе с отдельными атомами — нарисовали на никелевой поверхности три буквы 35 атомами ксенона (рис. 1).

Бинниг не стал почивать на лаврах — в год получения Нобелевской премии совместно с Кристофером Гербером и Кельвином Куэйтом, также работавшими в Цюрихском исследовательском центре IBM он начал работу над еще одним устройством для изучения микромира, лишенного недостатков, которые присущи СТМ. Дело в том, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа нельзя было изучать диэлектрические поверхности, а только проводники и полупроводники, да и для анализа последних между ними и зондом микроскопа нужно было создать значительное разрежение. Поняв, что создать новое устройство проще, чем модернизировать существующее, Бинниг, Гербер и Куэйт изобрели атомно-силовой микроскоп, или АСМ. Принцип его работы кардинально иной: для получения информации о поверхности измеряют не силу тока, возникающую между зондом микроскопа и изучаемым образцом, а значение возникающих между ними сил притяжения, то есть слабых нехимических взаимодействий — сил Ван-дер-Ваальса.

Первая рабочая модель АСМ была устроена сравнительно просто. Исследователи перемещали над поверхностью образца алмазный зонд, связанный с гибким микромеханическим датчиком — кантилевером из золотой фольги (между зондом и атомом возникает притяжение, кантилевер гнется в зависимости от силы притяжения и деформирует пьезоэлектрик). Степень изгиба кантилевера определялась с помощью пьезоэлектрических датчиков — сходным образом канавки и гребни виниловой пластинки превращаются в аудиозапись. Конструкция атомно-силового микроскопа позволяла ему детектировать силы притяжения до 10^–18 ньютон. Через год после создания рабочего прототипа исследователям удалось получить изображение рельефа поверхности графита с разрешением в 2,5 ангстрема.

За три десятка лет, прошедших с тех пор, АСМ использовали для изучения практически любых химических объектов — от поверхности керамического материала до живых клеток и отдельных молекул, причем находящихся как в статическом, так и динамическом состоянии. Атомно-силовая микроскопия стала рабочей лошадкой химиков и материаловедов, а количество работ, в которых применяется этот метод, постоянно растет (рис. 2).

За эти годы исследователи подобрали условия и для контактного, и для бесконтактного изучения объектов с помощью атомно-силовой микроскопии. Контактный метод описан выше, он основан на вандерваальсовом взаимодействии между кантилевером и поверхностью. При работе в бесконтактном режиме пьезовибратор возбуждает колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к тому, что и амплитуда, и фаза колебаний зонда изменяются. Несмотря на некоторые недостатки бесконтактного метода (в первую очередь чувствительность к внешним шумам), именно он исключает воздействие зонда на исследуемый объект, а значит, интереснее для химиков.

Живо по зондам, в погоню за связями

Бесконтактной атомно-силовая микроскопия стала в 1998 году благодаря работам ученика Биннига — Франца Йозефа Гиссибла. Именно он предложил использовать в качестве кантилевера кварцевый эталонный генератор стабильной частоты. Спустя 11 лет исследователи из лаборатории IBM в Цюрихе предприняли еще одну модификацию бесконтактного АСМ: роль зонда-сенсора выполнял не острый кристалл алмаза, а одна молекула — монооксид углерода. Это позволяло перейти к субатомному разрешению, что и продемонстрировал Лео Гросс из цюрихского отдела IBM. В 2009 году с помощью АСМ он сделал видимыми уже не атомы, а химические связи, получив достаточно четкую и однозначно читаемую «картинку» для молекулы пентацена (рис. 3; Science, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).

Убедившись, что с помощью АСМ можно увидеть химическую связь, Лео Гросс решил пойти дальше и применить атомно-силовой микроскоп для измерения длин и порядков связей — ключевых параметров для понимания химической структуры, а следовательно, и свойств веществ.

Напомним, что различие в порядках связей указывает на разные значения электронной плотности и различные межатомные расстояния между двумя атомами (говоря проще, двойная связь короче одинарной). В этане порядок связи углерод-углерод равен единице, в этилене — двум, а в классической ароматической молекуле — бензоле — порядок связи углерод-углерод больше единицы, но меньше двух, и считается равным 1,5.

Определить порядок связи гораздо сложнее при переходе от простых ароматических систем к плоским или объемным поликонденсированным циклическим системам. Так, порядок связей в фуллеренах, состоящих из конденсированных пяти- и шестичленных углеродных циклов, может принимать любое значение от единицы до двух. Та же самая неопределенность теоретически присуща и полициклическим ароматическим соединениям.

В 2012 году Лео Гросс совместно с Фабианом Моном показал, что атомно-силовой микроскоп с металлическим бесконтактным зондом, модифицированным монооксидом углерода, может измерять различия в распределении зарядов у атомов и межатомные расстояния — то есть параметры, ассоциированные с порядком связи (Science, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).

Для этого они изучили два типа химических связей в фуллерене — связь углерод-углерод, общую для двух шестичленных углеродсодержащих циклов фуллерена С₆₀, и связь углерод-углерод, общую для пяти- и шестичленного циклов. Атомно-силовой микроскоп показал, что при конденсации шестичленных циклов образуется связь более короткая и с большим порядком, чем при конденсации циклических фрагментов C₆ и C₅. Изучение же особенностей химического связывания в гексабензокоронене, где вокруг центрального цикла C₆ симметрично расположено еще шесть циклов C₆, подтвердило результаты квантово-химического моделирования, согласно которым порядок связей С—С центрального кольца (на рис. 4 буква i) должен быть больше, чем у связей, объединяющих это кольцо с периферийными циклами (на рис. 4 буква j). Сходные результаты получили и для более сложного полициклического ароматического углеводорода, содержащего девять шестичленных циклов.

Порядки связей и межатомные расстояния, конечно же, интересовали химиков-органиков, но важнее это было тем, кто занимался теорией химической связи, предсказанием реакционной способности и изучением механизмов химических реакций. Тем не менее и химиков-синтетиков, и специалистов по изучению структуры природных соединений ждал сюрприз: оказалось, что атомно-силовой микроскоп можно применять для установления структуры молекул точно так же, как ЯМР или ИК-спектроскопию. Более того, он дает однозначный ответ на вопросы, с которыми эти методы не в состоянии справиться.

От фотографии к кинематографу

В 2010 году все тот же Лео Гросс и Райнер Эбел смогли однозначно установить строение природного соединения — цефаландола А, выделенного из бактерии Dermacoccus abyssi (Nature Chemistry, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Состав цефаландола А установили ранее с помощью масс-спектрометрии, однако анализ спектров ЯМР этого соединения не давал однозначного ответа на вопрос о его структуре: возможны были четыре варианта. С помощью атомно-силового микроскопа исследователи сразу же исключили две из четырех структур, а из двух оставшихся правильный выбор сделали, сравнив результаты, полученные благодаря АСМ и квантово-химическому моделированию. Задача оказалась непростой: в отличие от пентацена, фуллерена и короненов, в состав цефаландола А входят не только атомы углерода и водорода, кроме того, у этой молекулы нет плоскости симметрии (рис. 5) — но и такую задачу удалось решить.

Еще одно подтверждение того, что атомно-силовой микроскоп можно использовать как аналитический инструмент, получили в группе Оскара Кустанца, в то время работавшего в инженерной школе Университета Осаки. Он показал, как с помощью АСМ различить атомы, отличающиеся друг от друга гораздо меньше, чем углерод и водород (Nature, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц исследовал поверхность сплава, состоящего из кремния, олова и свинца с известным содержанием каждого элемента. В результате многочисленных экспериментов он выяснил, что сила, возникающая между острием зонда АСМ и разными атомами, различается (рис. 6). Так, например, самое сильное взаимодействие наблюдалось при зондировании кремния, а самое слабое — при зондировании свинца.

Предполагается, что в дальнейшем результаты атомно-силовой микроскопии для распознавания отдельных атомов будут обрабатываться так же, как результаты ЯМР, — по сравнению относительных величин. Поскольку точный состав иглы датчика трудно контролировать, абсолютное значение силы между датчиком и различными атомами поверхности зависит от условий эксперимента и марки устройства, а вот отношение этих сил при любом составе и форме датчика остается постоянным для каждого химического элемента.

В 2013 году появились первые примеры использования АСМ для получения изображений отдельных молекул до и после химических реакций: создается «фотосет» из продуктов и полупродуктов реакции, который потом можно смонтировать своего рода документальный фильм (Science, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).

Феликс Фишер и Майкл Кромми из Университета Калифорнии в Беркли нанесли на поверхность серебра 1,2-бис[(2-этинилфенил)этинил]бензол, получили изображение молекул и нагрели поверхность, чтобы инициировать циклизацию. Половина исходных молекул превратилась в полициклические ароматические структуры, состоящие из конденсированных пяти шестичленных и двух пятичленных циклов. Еще четверть молекул образовала структуры, состоящие из четырех шестичленных циклов, связанных через один четырехчленный цикл, и двух пятичленных циклов (рис. 7) . Остальными продуктами были олигомерные структуры и, в незначительном количестве, полициклические изомеры.

Такие результаты дважды удивили исследователей. Во-первых, в ходе реакции образовалось всего лишь два главных продукта. Во-вторых, удивление вызвала их структура. Фишер отмечает, что химическая интуиция и опыт позволяли нарисовать десятки возможных продуктов реакции, однако ни один из них не соответствовал тем соединениям, которые образовывались на поверхности. Возможно, протеканию нетипичных химических процессов способствовало взаимодействие исходных веществ с подложкой.

Естественно, что после первых серьезных успехов в изучении химических связей некоторые исследователи решили применить АСМ для наблюдения более слабых и менее изученных межмолекулярных взаимодействий, в частности водородной связи. Однако в этой области работы еще только начинаются, а результаты их противоречивы. Так, в одних публикациях сообщается, что атомно-силовая микроскопия позволила наблюдать водородную связь (Science, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), в других утверждают, что это всего лишь артефакты, обусловленные конструкционными особенностями прибора, а экспериментальные результаты нужно интерпретировать аккуратнее (Physical Review Letters, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Возможно, окончательный ответ на вопрос, можно ли наблюдать водородные и другие межмолекулярные взаимодействия с помощью атомно-силовой микроскопии, будет получен уже в этом десятилетии. Для этого необходимо еще хотя бы в несколько раз повысить разрешение АСМ и научиться получать изображения без помех (Physical Review B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).

Синтез одной молекулы

В умелых руках и СТМ и АСМ превращаются из приборов, способных изучать вещество, в приборы, способные направленно изменять строение вещества. С помощью этих устройств уже удалось получить «самые маленькие химические лаборатории», в которых вместо колбы используется подложка, а вместо молей или миллимолей реагирующих веществ — отдельные молекулы.

Например, в 2016 году международная группа ученых во главе с Такаси Кумагаи использовала бесконтактную атомно-силовую микроскопию для перевода молекулы порфицена из одной ее формы в другую (Nature Chemistry, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфицен можно рассматривать как модификацию порфирина, во внутреннем цикле которого содержится четыре атома азота и два атома водорода. Колебания зонда АСМ передавали молекуле порфицена достаточно энергии для переноса этих водородов от одних атомов азота к другим, и в результате получалось «зеркальное отражение» этой молекулы (рис. 8).

Группа под руководством неутомимого Лео Гросса также показала, что возможно инициировать реакцию отдельно взятой молекулы, — они превратили дибромантрацен в десятичленный циклический диин (рис. 9; Nature Chemistry, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). В отличие от Кумагаи с соавторами, они использовали сканирующий туннельный микроскоп для активации молекулы, а за результатом реакции следили с помощью атомно-силового микроскопа.

Комбинированное применение сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа позволило даже получить молекулу, которую невозможно синтезировать с помощью классических приемов и методов (Nature Nanotechnology, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Это триангулен — нестабильный ароматический бирадикал, существование которого было предсказано шесть десятилетий назад, но все попытки синтеза были неудачными (рис. 10). Химики из группы Нико Павличека получили искомое соединение, оторвав от его прекурсора два атома водорода с помощью СТМ и подтвердив синтетический результат с помощью АСМ.

Предполагается, что число работ, посвященных применению атомно-силовой микроскопии в органической химии, еще будет расти. В настоящее время все больше ученых пытаются повторить на поверхности реакции, хорошо знакомые «растворной химии». Но, возможно, химики-синтетики начнут воспроизводить в растворе те реакции, которые были первоначально осуществлены на поверхности с помощью АСМ.

От неживого — к живому

Кантилеверы и зонды атомно-силовых микроскопов можно применять не только для аналитических исследований или синтеза экзотических молекул, но и для решения прикладных задач. Уже известны случаи использования АСМ в медицине, например для ранней диагностики рака, и здесь пионером выступает тот самый Кристофер Гербер, который приложил руку к разработке принципа атомно-силовой микроскопии и созданию АСМ.

Так, Герберу удалось научить АСМ определять точечную мутацию рибонуклеиновой кислоты при меланоме (на материале, полученном в результате биопсии). Для этого золотой кантилевер атомно-силового микроскопа модифицировали олигонуклеотидами, которые могут вступать в межмолекулярное взаимодействие с РНК, а силу этого взаимодействия все также можно измерить за счет пьезоэффекта. Чувствительность сенсора АСМ настолько велика, что его уже пытаются применить для изучения эффективности популярного метода редактирования геномов CRISPR-Cas9. Здесь воедино объединяются технологии, созданные разными поколениями исследователей.

Перефразируя классика одной из политических теорий, можно сказать, что мы уже сейчас видим безграничные возможности и неисчерпаемость атомно-силовой микроскопии и вряд ли в силах представить, что ждет нас впереди в связи с дальнейшим развитием этих технологий. Но уже сегодня сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп дают нам возможность увидеть атомы и прикоснуться к ним. Можно сказать, что это не только продолжение наших глаз, позволяющее заглянуть в микрокосм атомов и молекул, но и новые глаза, новые пальцы, способные прикоснуться к этому микрокосму и управлять им.