Kan je moleculen waarnemen?

"Niemand heeft ooit moleculen gezien" - dat is wel een erg sterk statement! Je hebt natuurlijk gelijk als je het over zien met het blote oog hebt - moleculen zijn eenvoudigweg te klein om met zichtbaar licht, waarvoor onze ogen gevoelig zijn, te kunnen zien. De reden daarvoor is dat de golflengte van zichtbaar licht rond de 500nm ligt, en een atoom maar 0.1nm groot is. Het is vergelijkbaar met het proberen te meten van de dikte van een mensenhaar met een maatstok van een meter lang, zonder onderverdelingen. Zichtbaar licht is voor individuele atomen een paar grootteorden te groot.

 

De fysica leert ons dat je om een voorwerp te kunnen "zien" een golflengte nodig hebt van dezelfde grootteorde (of kleiner) dan het object dat je probeert te bestuderen. Voor golflengten van rond de 0.1 nanometer zijn er twee soorten "straling" die geschikt zijn (maar die we natuurlijk niet direct kunnen "zien", we hebben speciale detectoren nodig).

De ene zijn elektronen. Die hebben het voordeel dat ze makkelijk te behandelen zijn, je kan ze zoals licht focussen in een microscoop, weliswaar met magnetische lenzen. Elektronen hebben ook nadelen - ze hebben een lading, dus er kan elektrostatische afstoting optreden, ze hebben een eigen massa die niet nul is, en als je dus een elektron voldoende energie geeft om een golflengte van 0.1nm te krijgen, dan stop je gigantisch veel energie in je staal op de plek waar je naar aan het kijken bent. Als je dus een enkel atoom wil zien, is dat een beetje vergelijkbaar met te proberen een "beeld" te vormen van een slagroomtaart door er bowlingballen naartoe te smijten.

Ja kan wel degelijk atomen "zien" met electronenmicroscopie, maar dan enkel relatief grote atomen die heel stevig op hun plaats vastzitten, zoals bijvoorbeeld de goudatomen die zich verstoppen achter de eerste link. Een beetje zoals proberen een beeld te krijgen van een auto door er bowlingballen naartoe te gooien - hij zal er niet volledig onbeschadigd uitkomen, maar je kan waarschijnlijk wel een idee krijgen hoe hij er grosso-modo uitziet.

 

Het andere soort straling zijn x-stralen met de juiste golflengte. Dit zijn fotonen, die zijn veel minder energetisch, hebben geen eigen massa en ook geen lading, en zijn dus veel minder destructief voor het staal. Daar is het ene probleem echter om voldoende intensiteit te krijgen, en het andere probleem dat er niet zoiets bestaat als een lens voor x-stralen. Met de nodige creativiteit kan dat opgelost worden via de nodige wiskundige transformaties van het beeld via de computer, en zo kan je ook atomen "zien". Dit si veel minder visueel omdat het een computerplaatje is, en we zijn tegenwoordig zo gewoon aan computergraphics dat het dan al snel maar een voorstelling van een computermodel lijkt, maar het zijn wel degelijk experimentele data. Kijk bijvoorbeeld maar onder link 2, waar je de structuur terugvindt van aspirine. Met elektronenmicroscopie zou dit niet lukken, omdat dit soort organische moleculen niet bestand zijn tegen elektronen met hoge energie

 

De laatste methode om atomen te zien is niet zozeer "zien" als wel "voelen". De atomic force microscope tast met een ultra-fijne naald een oppervlak af, en "voelt" zo bij wijze van spreken hoe het eruit ziet. Dan krijg je beelden zoals in link 3, en dat spreekt meteen ongelooflijk tot de verbeelding.

 

Stellen dat je moleculen niet kan zien is dus vandaag de dag een beetje overdreven. Je hebt wel gelijk dat het "zien" op een andere manier plaatsvindt dan met zichtbaar licht via de klassieke optica. Om moleculen te "zien" heb je veel kortere golflengten nodig, en een stevige dosis quantummechanica om te begrijpen waarom op die heel kleine schaal alles zich zo vreemd gedraagt!

 

Ik hoop dat dat helpt, als er nog iets onduidelijk is, vraag gerust.