Görünür ışık ve cam merceklerle görüntü oluşturan sıradan bir optik mikroskop, yaklaşık 200 nanometreden, yani 0,2 mikrometreden küçük ayrıntıları gösteremez. Bir nanometre bir metrenin milyarda biri, bir mikrometre ise bir metrenin milyonda biridir. Bu sınır, ışığın dalga gibi davranmasından kaynaklanır ve yaklaşık bir değerdir.

Boyut

Sınır çözünürlükle ilgilidir: bir mikroskobun iki noktayı hâlâ ayrı gösterebildiği en kısa uzaklık. Bundan daha yakın iki nokta birbirine karışıp tek bir nokta gibi görünür. Sınır büyütmeye bağlı değildir. Yaklaşık 1.000 katın ötesinde görüntüyü daha fazla büyütmek onu daha büyük yapar ama daha fazla ayrıntı göstermez.

1873’te mikroskopist Ernst Abbe, çözünürlüğün ışığın dalga boyuna bağlı olduğunu gösteren bir denklem yayımladı. Çözünürlük, en iyi durumda dalga boyunun yaklaşık yarısı kadardır. Hesabın yaygın bir biçiminde dalga boyu, merceğin ne kadar ışık topladığını ölçen sayısal açıklığın iki katına bölünür.

En iyi mercekler bir damla yağın içinden bakar ve yaklaşık 1,4 sayısal açıklığa ulaşır. Dalga boyu 550 nanometre olan yeşil ışıkla, birbirinden yaklaşık 0,2 mikrometre uzaktaki ayrıntıları ayırabilirler. Dalga boyu 700 nanometre olan kırmızı ışıkta aynı türden hesap daha kaba bir sınır verir, mor ışıkta ise daha ince bir sınır verir.

Boyut karşılaştırmaları

• Çapı yaklaşık 7,5 mikrometre olan bir kırmızı kan hücresi, sınırın yaklaşık 37 katıdır; bu yüzden biçimi net görünür.
• Çapı yaklaşık 750 nanometre olan bir Mimivirüs parçacığı, sınırın neredeyse dört katıdır. Bir ışık mikroskobuyla görülebilecek kadar büyüktür; bu, bir virüs için nadir görülen bir durumdur.
• Çapı yaklaşık 145 nanometre olan bir HIV parçacığı sınırdan küçüktür; bu yüzden bir ışık mikroskobu parçacığın biçimini gösteremez.
• Sınır büyüklüğündeki yaklaşık 400–500 ayrıntı, kalınlığı 80–100 mikrometre olan bir insan saçının bir kenarından öbür kenarına yan yana sığardı.
• Sınır, metrik bir cetvelin en küçük bölmesi olan 1 milimetre büyüklüğüne büyütülse, bir insan saçı 40–50 santimetre kalınlığında olurdu. Bir HIV parçacığı yaklaşık 0,7 milimetre çapında olurdu; bu, cetvelin bir bölmesinden daha küçüktür.

Bir noktayı görmek, biçimini görmemek

Sınır ayrıntıyla ilgilidir; bir şeyin varlığını fark etmekle ilgili değildir. Parlayan tek bir molekül, parlayan diğer tüm moleküllerden 0,2 mikrometreden daha uzaktaysa sıradan bir mikroskopta bir ışık lekesi olarak görülebilir. Leke sınırın büyüklüğüne kadar bulanıklaşır; bu yüzden molekülün nerede olduğunu gösterir ama neye benzediğini göstermez.

Daha kısa dalga boyları daha ince ayrıntı verir. Yakın morötesi ışık kullanan mikroskoplar, görünür ışık kullananlardan daha küçük ayrıntıları ayırabilir. Elektron mikroskopları çok daha ileri gider. Kullandıkları elektronlar, dalga boyu yaklaşık 0,005 nanometre olan dalgalar gibi davranır; bu, ışığın dalga boyundan çok daha kısadır.

Sınırı aşmak

20. yüzyılın büyük bölümünde bilim insanları, optik mikroskopların yaklaşık 0,2 mikrometreden küçük hiçbir şeyi asla gösteremeyeceğine inanıyordu. Stefan Hell 1994’te sınırı aşmanın bir yolunu önerdi ve bu yolun işe yaradığını 2000’de gösterdi. Yöntemi, molekülleri parlatmak için bir ışık darbesi, küçücük bir noktadakiler dışındaki bütün molekülleri söndürmek için de halka biçimli ikinci bir lazer ışını kullanır.

W. E. Moerner ile Eric Betzig, aynı anda yalnızca birkaç parlayan molekülü açan ve birçok görüntüyü birleştiren başka bir yöntem geliştirdi. Üçü, 2014 Nobel Kimya Ödülü’nü “süper çözünürlüklü floresan mikroskopisinin geliştirilmesi nedeniyle” paylaştı. Ödülü veren İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi’nin sözleriyle, çalışmaları “mikroskopinin nanoskopiye dönüştüğü” anlamına geliyor.

Kaynaklar

• How the optical microscope became a nanoscope. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• Resolution. Nikon MicroscopyU.
• Numerical Aperture. Nikon MicroscopyU.
• Instruments of Microscopy. In Microbiology. OpenStax, 2016.
• Erythrocytes. In Anatomy and Physiology, 2nd edition. OpenStax, 2022.
• Structural Studies of the Giant Mimivirus. Xiao et al., PLoS Biology, 2009.
• Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology. Legendre et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014.
• Structural organization of authentic, mature HIV-1 virions and cores. Briggs et al., The EMBO Journal, 2003.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.