How big is Найменша річ, яку можна побачити в електронний мікроскоп?

Електронний мікроскоп створює зображення за допомогою пучка електронів замість світла, і він здатний показати окремі атоми. Станом на 2026 рік найкращі електронні мікроскопи розрізняють деталі, віддалені одна від одної приблизно на 20 пікометрів, а це приблизно одна п’ята ширини атома водню. Пікометр — це трильйонна частка метра.

Розмір

Ця величина — роздільна здатність, а не розмір об’єкта. Роздільна здатність мікроскопа — це найменша відстань, на якій дві точки ще видно як дві окремі, а не як одну розмиту пляму. Найменші об’єкти, які показує електронний мікроскоп, — окремі атоми, а найкращі сучасні прилади розрізняють деталі, віддалені одна від одної на частку ширини атома.

Колись найчіткіші зображення обмежувалися приблизно 100 пікометрами через недоліки магнітних лінз, що фокусують пучок електронів. Коректори лінз це змінили. У 2008 році Національна лабораторія імені Лоуренса в Берклі представила TEAM 0.5 — мікроскоп, створений для того, щоб досягти пів ангстрема, тобто 50 пікометрів. Згодом команда, яка працювала з цим мікроскопом, повідомила про розрізнення пар атомів германію, між якими 47 пікометрів.

Далі комп’ютерний метод, який називають електронною птихографією, ще покращив рекорд. Команда Корнельського університету досягла 39 пікометрів у 2018 році та близько 20 пікометрів у 2021 році. У 2024 році команда Університету Цінхуа в Китаї повідомила про розрізнення деталей до 14 пікометрів, застосувавши іншу міру роздільної здатності. Точне значення рекорду залежить від того, як вимірюють роздільну здатність.

Порівняння розмірів

Атом водню, який має в поперечнику приблизно 0,1 нанометра, приблизно в п’ять разів ширший за найдрібнішу деталь, яку розрізняють ці мікроскопи.
Якби атом водню збільшили до розміру баскетбольного м’яча, який має в поперечнику близько 24 сантиметрів, мікроскоп міг би розрізнити деталі, віддалені одна від одної приблизно на 4,5 сантиметра.
Звичайний світловий мікроскоп не може розрізнити деталі, розташовані ближче одна до одної, ніж приблизно на 0,2 мікрометра. Це в 10 000 разів більше за відстань, яку можуть розрізнити найкращі електронні мікроскопи. Мікрометр — це мільйонна частка метра.
Двадцять пікометрів — це 0,2 ангстрема. Зв’язки між атомами зазвичай мають довжину 1–2 ангстреми, тобто вони в 5–10 разів довші за найдрібнішу деталь, яку вдається розрізнити.
Приблизно 4–5 мільйонів найдрібніших деталей, які ще можна розрізнити, умістилося б упоперек людської волосини.

Чому електрони показують дрібніші деталі, ніж світло

Звичайні мікроскопи не можуть розрізняти деталі, значно менші за довжину хвилі того, чим вони «бачать». Довжина хвилі — це відстань від одного гребеня хвилі до наступного. Для звичайного світлового мікроскопа межа становить близько 0,2 мікрометра, як у 1873 році встановив фахівець із мікроскопії Ернст Аббе.

Електрони теж поводяться як хвилі, і їхні довжини хвиль набагато коротші, ніж у світла. Швидкі електрони, які використовують у багатьох таких мікроскопах, мають довжину хвилі близько 2 пікометрів. Теоретично це дає змогу розрізняти набагато дрібніші деталі, ніж будь-коли вдалося б зі світлом. На практиці недосконалі лінзи тримали електронні мікроскопи далеко від цієї межі, а коректори й комп’ютерні методи відтоді скоротили розрив.

Як створюють найновіші зображення

Електронна птихографія покладається не лише на лінзи. Мікроскоп переміщує пучок по зразку, освітлюючи ділянки, що частково перекриваються, і записує, як електрони розсіюються в кожній із них. Потім комп’ютерні алгоритми з’ясовують, яка форма зразка дала б такі картини розсіювання, і відновлюють за ними зображення.

Зображення, отримані в Корнельському університеті у 2021 році, показали кристал, збільшений у 100 мільйонів разів. За такої роздільної здатності головне розмиття, що лишається, створюють самі атоми, які постійно тремтять через тепло. Керівник команди Девід Мюллер назвав це, по суті, остаточною межею роздільної здатності.