How big is Najmniejsza rzecz widoczna pod mikroskopem elektronowym?

Mikroskop elektronowy tworzy obraz za pomocą wiązki elektronów zamiast światła i potrafi pokazać pojedyncze atomy. W 2026 roku najlepsze mikroskopy elektronowe potrafią rozróżnić szczegóły oddalone od siebie o około 20 pikometrów, czyli mniej więcej o jedną piątą szerokości atomu wodoru. Pikometr to bilionowa część metra.

Rozmiar

Ta wartość to rozdzielczość, a nie rozmiar obiektu. Rozdzielczość mikroskopu to najmniejsza odległość, przy której dwa punkty wciąż widać jako dwa osobne punkty, a nie jedną rozmytą plamę. Najmniejsze rzeczy, jakie pokazuje mikroskop elektronowy, to pojedyncze atomy, a najlepsze przyrządy rozróżniają dziś szczegóły oddalone od siebie o ułamek szerokości atomu.

Wady soczewek magnetycznych, które skupiają wiązkę elektronów, ograniczały kiedyś najostrzejsze obrazy do około 100 pikometrów. Korektory soczewek to zmieniły. W 2008 roku w Lawrence Berkeley National Laboratory zaprezentowano TEAM 0.5, mikroskop zaprojektowany tak, by osiągnąć pół angstrema, czyli 50 pikometrów. Zespół badaczy, który nad nim pracował, doniósł później o rozróżnieniu par atomów germanu oddalonych od siebie o 47 pikometrów.

Rekord przesunęła jeszcze dalej komputerowa metoda zwana ptychografią elektronową. Zespół z Uniwersytetu Cornella osiągnął 39 pikometrów w 2018 roku i około 20 pikometrów w 2021 roku. W 2024 roku zespół z Uniwersytetu Tsinghua w Chinach doniósł o szczegółach aż do 14 pikometrów, posługując się inną miarą rozdzielczości. Dokładny rekord zależy od tego, jak mierzy się rozdzielczość.

Porównania rozmiarów

Atom wodoru, który ma około 0,1 nanometra średnicy, jest mniej więcej pięć razy szerszy niż najdrobniejszy szczegół, jaki rozróżniają te mikroskopy.
Gdyby atom wodoru powiększyć do rozmiarów piłki do koszykówki o średnicy około 24 centymetrów, mikroskop mógłby rozróżnić szczegóły oddalone od siebie o około 4,5 centymetra.
Zwykły mikroskop optyczny nie rozróżni szczegółów leżących bliżej siebie niż około 0,2 mikrometra. To 10 000 razy więcej niż odległość, którą potrafią rozróżnić najlepsze mikroskopy elektronowe. Mikrometr to milionowa część metra.
Dwadzieścia pikometrów to 0,2 angstrema. Wiązania między atomami mają zwykle długość 1–2 angstremów, czyli 5–10 razy więcej niż najdrobniejszy rozróżniany szczegół.
Na szerokości ludzkiego włosa zmieściłoby się około 4–5 milionów najdrobniejszych rozróżnialnych szczegółów.

Dlaczego elektrony pokazują drobniejsze szczegóły niż światło

Zwykłe mikroskopy nie potrafią rozróżnić szczegółów znacznie mniejszych niż długość fali tego, czym obserwują. Długość fali to odległość od jednego grzbietu fali do następnego. W zwykłym mikroskopie optycznym granica wynosi około 0,2 mikrometra, jak w 1873 roku ustalił specjalista od mikroskopii Ernst Abbe.

Elektrony zachowują się też jak fale, o znacznie krótszej długości niż fale świetlne. Szybkie elektrony używane w wielu mikroskopach elektronowych mają długość fali około 2 pikometrów. W zasadzie pozwala to uzyskać szczegóły znacznie drobniejsze, niż kiedykolwiek mogłoby światło. W praktyce wadliwe soczewki trzymały mikroskopy elektronowe daleko od tej granicy, a korektory i metody komputerowe zmniejszyły od tego czasu ten dystans.

Jak powstają najnowsze obrazy

Ptychografia elektronowa nie opiera się wyłącznie na soczewkach. Mikroskop przesuwa wiązkę po próbce, oświetlając kolejne, częściowo nakładające się punkty, i w każdym z nich rejestruje, jak rozpraszają się elektrony. Algorytmy komputerowe ustalają potem, jaki kształt próbki dałby takie wzory, i na ich podstawie odtwarzają obraz.

Obrazy z Uniwersytetu Cornella z 2021 roku przedstawiały kryształ powiększony 100 milionów razy. Przy takiej rozdzielczości główne pozostałe rozmycie pochodzi od samych atomów, które bez przerwy drgają z powodu ciepła. Kierujący zespołem David Muller opisał to jako w praktyce ostateczną granicę rozdzielczości.