How big is Cel mai mic lucru vizibil la un microscop electronic?

Un microscop electronic formează imagini cu ajutorul unui fascicul de electroni, nu al luminii, și poate arăta atomi individuali. În 2026, cele mai bune microscoape electronice pot distinge detalii aflate la aproximativ 20 de picometri una de alta, adică aproximativ o cincime din lățimea unui atom de hidrogen. Un picometru este o miime dintr-o miliardime de metru.

Dimensiune

Această valoare este o rezoluție, nu dimensiunea unui obiect. Rezoluția unui microscop este cea mai mică distanță la care două puncte apar încă drept două puncte separate, nu ca o singură pată neclară. Cele mai mici lucruri pe care le arată un microscop electronic sunt atomii individuali, iar cele mai bune instrumente disting acum detalii separate de o distanță care este o fracțiune din lățimea unui atom.

Defectele lentilelor magnetice care focalizează fasciculul de electroni au limitat cândva cele mai clare imagini la aproximativ 100 de picometri. Corectoarele de lentile au schimbat situația. În 2008, Laboratorul Național Lawrence Berkeley a prezentat TEAM 0.5, un microscop proiectat să atingă jumătate de angstrom, adică 50 de picometri. Echipa microscopului a raportat ulterior că a distins perechi de atomi de germaniu aflați la 47 de picometri unul de altul.

O metodă computerizată numită ptihografie electronică a împins recordul și mai departe. O echipă de la Universitatea Cornell a atins 39 de picometri în 2018 și aproximativ 20 de picometri în 2021. În 2024, o echipă de la Universitatea Tsinghua din China a raportat detalii de până la 14 picometri, folosind o altă măsură a rezoluției. Recordul exact depinde de modul în care se măsoară rezoluția.

Comparații de dimensiune

Un atom de hidrogen, cu un diametru de aproximativ 0,1 nanometri, este de aproximativ cinci ori mai lat decât cel mai fin detaliu pe care îl disting aceste microscoape.
Dacă un atom de hidrogen ar fi mărit până la dimensiunea unei mingi de baschet, cu un diametru de aproximativ 24 de centimetri, microscopul ar distinge detalii aflate la aproximativ 4,5 centimetri una de alta.
Un microscop optic obișnuit nu poate distinge detalii aflate la o distanță mai mică de aproximativ 0,2 micrometri una de alta. Această distanță este de 10.000 de ori mai mare decât cea pe care o pot distinge cele mai bune microscoape electronice. Un micrometru este o milionime de metru.
Douăzeci de picometri reprezintă 0,2 angstromi. Legăturile dintre atomi au în general 1–2 angstromi lungime, adică sunt de 5–10 ori mai lungi decât cel mai fin detaliu distins.
Aproximativ 4–5 milioane de detalii dintre cele mai fine care pot fi distinse ar încăpea una lângă alta pe grosimea unui fir de păr uman.

De ce arată electronii detalii mai fine decât lumina

Microscoapele convenționale nu pot distinge detalii mult mai mici decât lungimea de undă a ceea ce folosesc pentru a vedea. Lungimea de undă este distanța de la o creastă a unei unde până la următoarea. Pentru un microscop optic obișnuit, limita este de aproximativ 0,2 micrometri, după cum a stabilit specialistul în microscopie Ernst Abbe în 1873.

Și electronii se comportă ca niște unde, cu lungimi de undă mult mai scurte decât cele ale luminii. Electronii rapizi folosiți în multe astfel de microscoape au o lungime de undă de aproximativ 2 picometri. În principiu, aceasta permite detalii mult mai fine decât ar putea oferi vreodată lumina. În practică, lentilele cu defecte au făcut ca microscoapele electronice să rămână departe de această limită, iar corectoarele și metodele computerizate au redus între timp diferența.

Cum se obțin cele mai noi imagini

Ptihografia electronică nu se bazează doar pe lentile. Microscopul își deplasează fasciculul peste o probă, în puncte care se suprapun, și înregistrează cum se împrăștie electronii în fiecare dintre ele. Algoritmi computerizați stabilesc apoi ce formă a probei ar produce acele modele și reconstituie imaginea pornind de la ele.

Imaginile din 2021 de la Cornell au arătat un cristal mărit de 100 de milioane de ori. La această rezoluție, principala neclaritate rămasă provine chiar de la atomi, care vibrează continuu din cauza căldurii. Conducătorul echipei, David Muller, a descris aceasta practic drept o limită ultimă a rezoluției.