Микромир: объекты и явления меньше миллиметра¶
Миллиметр — метрическая единица длины, равная одной тысячной метра (0,001 м). Объекты и явления, размеры которых меньше миллиметра, изучаются целым рядом научных дисциплин: микробиологией, гистологией, нанотехнологией, кристаллографией, атомной физикой. Ниже миллиметра лежит мир клеток, микроорганизмов, кристаллических решёток, молекул и атомов — от микрометра (микрона) до ангстрема (десятимиллиардная доля метра).
¶Микрометры: клетки и микроорганизмы
Микрометр (мкм, 10⁻⁶ м) — базовая единица измерения в биологии. Типичная бактериальная клетка имеет длину 1–5 мкм, эритроцит человека — около 7 мкм в диаметре, нервная клетка человека может достигать в длину более метра, но её диаметр — лишь 10–100 мкм. Вирусы существенно меньше: вирус гриппа имеет размер около 100 нанометров, вирус SARS-CoV-2 — 60–140 нм, что делает их невидимыми в обычный оптический микроскоп.
Клеточные органеллы также укладываются в микронный диапазон: митохондрии — 0,5–10 мкм, хлоропласты — 2–10 мкм, ядро эукариотической клетки — 5–10 мкм. Реснички и жгутики бактерий имеют диаметр около 20 нм, а толщина клеточной мембраны — примерно 7–8 нм.
¶Нанометры: молекулы и вирусы
Нанометр (нм, 10⁻⁹ м) — масштаб молекулярной биологии и нанотехнологий. Диаметр молекулы воды — около 0,3 нм, ДНК — 2 нм, белковая молекула гемоглобина — около 5 нм. Размеры вирусов колеблются от 20 нм (вирусы полиомиелита) до 300 нм (поксвирусы).
В России нанотехнологии развиваются как приоритетное направление: в 2011 году была принята федеральная программа «Развитие наноиндустрии в Российской Федерации на 2011–2013 годы и на период до 2015 года», а в 2012 году создано госкорпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (Роснано). Среди российских разработок — нанопокрытия, наноматериалы для медицины, наноэлектроника.
¶Ангстремы и атомы
Ангстрем (Å, 10⁻¹⁰ м) — единица, равная 0,1 нм. Радиус атома водорода — около 0,53 Å, кислорода — около 0,6 Å, железа — около 1,26 Å. Длина химической связи между атомами углерода — 1,54 Å. Именно на этом масштабе работает рентгеноструктурный анализ, позволяющий определять расположение атомов в кристаллах.
Измерением объектов в ангстремах и нанометрах занимаются электронные микроскопы. В России одним из ведущих производителей электронной микроскопии является компания Тескан (основана в 1991 году в Берне, позднее перенесла производство в Брно). Сканирующие туннельные микроскопы, позволяющие «видеть» отдельные атомы, были изобретены в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в IBM.
¶Фундаментальные пределы измерений
Оптический микроскоп теоретически ограничен дифракционным пределом, сформулированным Эрнстом Аббе в 1873 году: разрешающая способность оптической системы не может превышать длину волны света, делённую на два. Для видимого света это около 200 нм. Преодолеть этот предел позволяют электронные микроскопы (длина волны электрона в сотни раз меньше) и суперразрешающая флуоресцентная микроскопия, удостоенная Нобелевской премии по химии 2014 года (Эрик Бетциг, Стефан Хелл, Уильям Мёрнер).
¶Применение
Объекты меньше миллиметра имеют практическое значение в самых разных областях:
- Медицина: диагностика заболеваний по морфологии клеток (цитология, гистология), разработка лекарственных наночастиц, стволовые клетки.
- Материаловедение: создание наноструктурных материалов с уникальными свойствами — прочностью, коррозионной стойкостью, каталитической активностью.
- Электроника: миниатюризация микросхем; современные транзисторы имеют размеры затвора менее 5 нм.
- Криминалистика: анализ микрочастиц — волокон, пыли, следов — как улик.
¶Интересные факты
Термин «микроскоп» ввёл в обиход немецкий учёный Иоганн Цинн в 1629 году, хотя первые подобные приборы появились ещё в конце XVI века. В 1665 году Роберт Гук опубликовал «Микрографию» — труд с детальными изображениями пробки, наблюдаемой под микроскопом, и ввёл термин «клетка».
Российский учёный Дмитрий Заборский в 1930-х годах разработал методику измерения размеров вирусов с помощью ультрафильтрации, что позволило определить их величину задолго до появления электронных микроскопов.