Используя современный атомно-силовой микроскоп, ученые сделали первые снимки атом за атомом, в том числе изображения химических связей между атомами, наглядно показывающие, как структура молекулы изменилась во время реакции. До сих пор ученые могли получить такую информацию только на основе спектроскопического анализа.
"Несмотря на то, что я использую эти молекулы изо дня в день, возможность увидеть эти изображения просто поразила меня. Вот это да!"сказал ведущий исследователь Феликс Фишер, доцент химии Калифорнийского университета в Беркли. "Это то, что мои учителя говорили, что ты никогда не сможешь увидеть это на самом деле, и теперь это у нас есть."
Способность отображать молекулярные реакции таким образом поможет не только студентам-химикам, изучающим химические структуры и реакции, но также впервые покажет химикам продукты их реакций и поможет им точно настроить реакции, чтобы получить продукты, которые они хотеть. Фишер вместе с соавтором Майклом Кромми, профессором физики Калифорнийского университета в Беркли, сфотографировал эти изображения с целью создания новых графеновых наноструктур, которые сегодня являются горячей областью исследований для материаловедов из-за их потенциального применения в компьютерах следующего поколения.
«Однако последствия выходят далеко за рамки только графена», – сказал Фишер. «Этот метод найдет применение, например, при изучении гетерогенного катализа», который широко используется в нефтяной и химической промышленности.
Гетерогенный катализ включает использование металлических катализаторов, таких как платина, для ускорения реакций, как в каталитическом нейтрализаторе автомобиля.
«Чтобы понять химию, которая на самом деле происходит на каталитической поверхности, нам нужен очень избирательный инструмент, который сообщает нам, какие связи на самом деле образовались, а какие были разорваны», – добавил он. "Этот метод сейчас уникален точностью, с которой он дает вам структурную информацию. Я думаю это новаторский."
«Атомно-силовой микроскоп дает нам новую информацию о химической связи, которая невероятно полезна для понимания того, как соединяются различные молекулярные структуры и как можно преобразовать одну форму в другую», – сказал Кромми. «Это должно помочь нам в создании новых инженерных наноструктур, таких как связанные сети атомов, которые имеют определенную форму и структуру для использования в электронных устройствах.
Это указывает путь вперед."
Фишер и Кромми вместе с другими коллегами из Калифорнийского университета в Беркли в Испании и из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL) опубликовали свои выводы в Интернете 30 мая в журнале Science Express.
От тени к снимку
Традиционно Фишер и другие химики проводят подробный анализ для определения продуктов химической реакции, и даже тогда фактическое трехмерное расположение атомов в этих продуктах может быть неоднозначным.
«В химии вы бросаете что-то в колбу, и выходит что-то еще, но обычно вы получаете лишь очень косвенную информацию о том, что у вас есть», – сказал Фишер. "Вы должны установить это, снимая ядерный магнитный резонанс, инфракрасный или ультрафиолетовый спектры.
Это больше похоже на головоломку: собрать всю информацию воедино, а затем определить, какова вероятная структура. Но это всего лишь тень.
Здесь у нас действительно есть методика, с помощью которой мы можем взглянуть на нее и сказать, что это именно та молекула. Это как сделать снимок этого."
Фишер разрабатывает новые методы создания графеновых наноструктур, демонстрирующих необычные квантовые свойства, которые могут сделать их полезными в электронных устройствах нанометрового размера. Атомы углерода расположены гексагонально, как проволочная сетка.
Вместо того, чтобы разрезать лист чистого углерода – графена – он надеется разместить на поверхности кучу более мелких молекул и заставить их соединиться в желаемую архитектуру. По его словам, проблема в том, как определить, что было сделано на самом деле.
Именно тогда он обратился к Кромми, который использует атомные силовые микроскопы для исследования поверхностей материалов с атомным разрешением и даже для перемещения атомов по отдельности на поверхности.
Работая вместе, они разработали способ охлаждения реакционной поверхности и молекул до температуры жидкого гелия – около 4 Кельвина, или 270 градусов по Цельсию ниже нуля, – который не дает молекулам покачиваться. Затем они использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы определить местонахождение всех молекул на поверхности, и остановились на нескольких, чтобы зондировать более точно с помощью атомно-силового микроскопа. Чтобы повысить пространственное разрешение своего микроскопа, они поместили одну молекулу окиси углерода на наконечник.
Этот метод, называемый бесконтактным АСМ, впервые был использован Герхардом Мейером и его сотрудниками в IBM Zurich для получения изображений молекул несколько лет назад.
После визуализации молекулы – «циклической» структуры с несколькими гексагональными углеродными кольцами, которую Фишер создал специально для этого эксперимента – Фишер, Кромми и их коллеги нагревали поверхность до тех пор, пока молекула не прореагировала, а затем снова охлаждали поверхность до 4 Кельвина и изображение продуктов реакции.
«Делая это на поверхности, вы ограничиваете реакционную способность, но у вас есть то преимущество, что вы действительно можете посмотреть на отдельную молекулу, дать этой молекуле имя или номер, а затем посмотреть, во что она превращается в продуктах», – сказал он.
«В конечном счете, мы пытаемся разработать новую химию поверхности, которая позволяет нам строить более упорядоченную архитектуру на поверхностях, и это может привести к таким приложениям, как создание электронных устройств, устройств хранения данных или логических вентилей из углеродных материалов."
Соавтором исследования является Димас Г. де Отейза, Йен-Чиа Чен, Себастьян Викенбург, Александр Рис, Зара Педрамрази и Син-Зон Цай из физического факультета Калифорнийского университета в Беркли; Патрик Горман и Гриша Эткин с химического факультета; и Дункан Дж. Моубрей и Анхель Рубио из исследовательских центров в Сан-Себастьяне, Испания.
Кромми, Фишер, Чен и Викенбург также записались на прием в Национальную лабораторию им. Лоуренса в Беркли.
Работа спонсируется Управлением военно-морских исследований, Министерством энергетики и Национальным научным фондом.