Новые портреты молекул

Когда разговор заходит о строении молекул, у неспециалиста, да и большинства специалистов, всплывают перед глазами маленькие разноцветные шарики, соединенные палочками или пружинками. Эти знакомые всем предметы школьного кабинета химии в общих чертах отражают сущность устройства молекул, состоящих из атомов, которые под разными углами соединены химическими связями разной силы.

Модели молекул родились после столетий изучения химии предыдущими поколениями ученых. В прошлом века появились и более свершенные модели, например полезная в неорганике ионная модель Шеннона или объемная модель Кори—Полинга—Колтуна (CPK), в которой цветные шарики, показывают размер электронных облаков атомов.

Однако нет сомнений, что модель объекта или явления зависит от того, каким методом мы его изучаем. Никто не будет спорить, что визуально предметы выглядят совсем по-другому, чем на ощупь. Точно так же в некоторых методах современной химии привычные молекулярные модели не только перестают отражать действительность, но и бывают контрпродуктивны, а поэтому требуют модификации.

Один из таких примеров — это анализ органических, неорганических молекул и тонких пленок методами просвечивающей электронной микроскопии атомарного разрешения. Сегодня этот метод позволяет снимать фильмы о жизни молекул и их реакциях, поскольку различает элементы изображений в доли ангстрем и следит за их динамикой с субмиллисекундным разрешением.

Исследователи химического факультета Токийского университета во главе с профессором Накамура Еичи (Eiichi Nakamura) только что доказали непригодность классических моделей электронной плотности для просвечивающей электронной микроскопии. В своей новой работе они предлагают изображать атомы сферами разного размера в зависимости от их атомного номера Z, то есть зарядов их ядер, с которым коррелируют размеры получаемых микроскопом изображений.

Дело в том, что рассеивающиеся на объекте электроны прибора «чувствуют» электростатические ядерные потенциалы, которые в конечном счете и определяют размеры изображений атомов. Новую модель авторы назвали Z-коррелированной, а цветовую маркировку взяли у CPK-модели.

Профессор надеется, что новая модель станет интуицией всех химиков, работающих с электронными микроскопами, так как легко позволяет новичкам в микроскопии сделать первый шаг в интерпретации их наблюдений и не требует предварительных теоретических оценок или расчетов. По образному выражению профессора, модель «открывает дверь в синематеку молекулярной науки». Он проводит параллель между своими нововведениями и первым телескопическим изображением черной дыры. То и другое представляют реальность такой, какой мы ее никогда не видели, и ликвидируют разрыв между воображением и реальностью.

Думается, профессор несколько переоценивает успехи астрономов в сравнении с результатами своей точной науки. Если, на взгляд широкой публики, фотографии черных дыр и представляют собой исключительное достижение, то непредвзятый специалист скорее отдаст предпочтение проверенным атомарным химическим моделям, построенным на основе точной квантовой механики, но не мутной черной «пустоте внутри светящегося бублика», изучаемой далеко не прикладным разделом астрономии.

(Proceedings of the National Academy of Sciences, 119 (14), 2022 - полный текст)