Мрія кожного хіміка – отримати зображення масштабу атома хімічної речовини до і після того, як вона зреагує – тепер збулася завдяки новій методиці, розробленій хіміками та фізиками в Університеті Каліфорнії, Берклі.
Використання державою в найсучасніших атомно-силового мікроскопа, вчені зробили перший атом за атомом зображень, в тому числі зображення хімічних зв’язків між атомами, ясно що зображують, як структура молекулі змінюється протягом реакції. До сих пір вчені не тільки змогли вивести цей тип інформації із спектроскопічного аналізу.
Безконтактний атомно-силовий мікроскоп (nc-AFM) зображення (в центрі) молекули до і після реакції поліпшення безмірно над зображеннями (зверху) за допомогою скануючого тунельного мікроскопа і виглядати так само, як і класичні діаграми молекулярної структури (внизу).
“Навіть якщо я використовую ці молекули на щоденній основі, насправді бути в змозі бачити ці фотографії здув мене. Нічого собі!” – каже провідний дослідник Фелікс Фішер, Каліфорнійський університет в Берклі, доцент кафедри хімії. “Це було те, що мої вчителі використовували, щоб сказати, що ви ніколи не зможете реально побачити, і тепер ми маємо його тут”.
Здатність фіксувати зображення молекулярних реакцій таким чином допоможе не тільки студентам-хімікам, які вивчають хімічні структури і реакції, але також покаже хімікам уперше продукти їх реакцій і допоможе їм точно настроїти реакції, щоб отримати необхідні продукти. Фішер разом із співробітником Майклом Кроммі, професором фізики Каліфорнійського університету в Берклі, зафіксували ці зображення з метою створення нових графенових наноструктур, гарячої області досліджень сьогодні для матеріалів учених через їх можливе застосування в комп’ютерах нового покоління.
“Однак наслідки виходять далеко за межі тільки графену”, – сказав Фішер. “Цей метод знайде застосування в дослідженні гетерогенного каталізу, наприклад”, який широко використовується в нафтовій і хімічній промисловості. Гетерогенний каталіз включає в себе використання металевих каталізаторів, таких як платина, щоб прискорити реакцію, як у каталітичному перетворювачі автомобіля.
“Щоб зрозуміти хімічні реакції, що насправді відбуваються на поверхні каталізатора, нам потрібен інструмент, який дуже вибірково і каже нам, які облігації фактично сформовані і які з них були розбиті”, – додав він. “Ця техніка унікальна зараз завдяки точності, з якою вона дає вам структурну інформацію. Я думаю, що це новаторство”.
“Атомний силовий мікроскоп дає нам нову інформацію про хімічний зв’язок, яка неймовірно корисна для розуміння того, як різні молекулярні структури підключити і як ви можете конвертувати з однієї форми в іншу форму”, – сказав Кроммі. “Це повинно допомогти нам створити нові сконструйовані наноструктури, такі як облігаційні мережі з атомів, які мають певну форму і структуру для використання в електронних пристроях. Це вказує шлях уперед”.
Фішер і Кроммі, поряд з іншими колегами в Каліфорнійському університеті в Берклі в Іспанії і в Національній лабораторії Лоренса Берклі (LBNL) опублікували свої висновки в Інтернеті 30 травня в журналі Науковий експрес (Science Express).
Від тіні до знімка
Традиційно Фішер та інші хіміки проводять детальний аналіз для визначення продуктів хімічної реакції, і навіть тоді фактичне тривимірне розташування атомів у цих продуктах може бути неоднозначним.
“У хімії ви кидаєте речовину в колбу і ще щось виходить, але ви, як правило, можете тільки отримати дуже непряму інформацію про те, що у вас є”, – сказав Фішер. “Ви повинні зробити висновок, що приймаєте ядерний магнітний резонанс інфрачервоного або ультрафіолетового спектрів. Це більше схоже на головоломку, поміщаючи всю інформацію разом, а потім прибивали вниз, яка структура ймовірно. Але це всього лише тінь. Тут ми насправді маємо техніку під рукою, яка дає змогу подивитися і сказати, що це саме молекула. Це як зробити знімок”.
адсорбований на поверхні, за допомогою монооксиду вуглецю,
молекули в наконечнику для чутливості.
Фішер розробляє нові технології для створення графенових наноструктур, які показують незвичайні квантові властивості, які можуть зробити їх корисними в нанорозмірних електронних пристроїв. Атоми вуглецю в гексагональної розташування як курка дроту. Замість того, щоб різати лист чистого вуглецю – графен – він сподівається розмістити купу дрібніших молекул на поверхню і змусити їх застебнути разом в необхідних архітектур. Проблема, за його словами, полягає в тому, щоб визначити, що насправді було зроблено.
Ось коли він підійшов до Кроммі, який використовує атомні силові мікроскопи, щоб досліджувати поверхні матеріалів з атомним дозволом і навіть переміщати атоми навколо індивідуально на поверхні. Працюючи разом, вони придумали спосіб, щоб охолодити реакційну поверхню і молекули до температури рідкого гелію – близько 4 Кельвіна або 270 градусів Цельсія нижче нуля – який зупиняє молекули від перебудови навколо. Потім вони використовували тунельний мікроскоп, щоб знайти всі молекули на поверхні, а також нульову позначку в кілька зондувати більш точно з атомно-силового мікроскопа. Для підвищення просторового дозволу їх мікроскопа вони поклали одну молекулу окису вуглецю на кінчику, техніку, звану безконтактну AFM вперше використаний Герхардом Мейером і співробітниками в IBM у Цюріху молекулам зображення кілька років тому.
Після отримання зображення молекули – це “циклічна” структура з кількома гексагональних кілець вуглецю, що Фішер, створений спеціально для цього експерименту – Фішер, Кроммі та їх колеги нагрівають поверхню, поки молекула не реагує, а потім знову охолодили поверхню до 4 градусів Кельвіна і отримав зображення продуктів реакції.
“Роблячи це на поверхні, ви обмежуєте реактивність, але у вас є перевага, що ви можете подивитися на одну молекулу, дати цій молекули ім’я або номер, а потім подивитися на те, на що вона перетворюється в продуктах”, – сказав він.
“У кінцевому рахунку, ми намагаємося розробити нову хімію поверхні, що дозволяє нам будувати більш високі замовлені архітектури на поверхні, і це може привести до таких додатків, як створення електронних пристроїв, пристроїв зберігання даних або логічні вентилі з вуглецевих матеріалів”.
Співавторами дослідження є Дімас Г. де Отейза, Ен-Чіа Чен, Себастьян Уікенбург, Олександр Рісс, Захра Педрамразі і Хсін-Зон Цай відділу фізики в Університеті Каліфорнії, Берклі; Патрік Горман і Гриша Еткін, кафедра хімії; Дункан Дж. Моубрей і Ейнджел Рубіо з науково-дослідних центрів у Сан–Себастьяні, Іспанія. Кроммі, Фішер, Чен і Уікенбург також мають призначення в Національній лабораторії Лоренса Берклі.
Робота фінансується Управлінням військово-морських досліджень, Департамент енергетики та Національного наукового фонду.
ІНФОРМАЦІЯ ПО ТЕМІ
- Пряма візуалізація ковалентного зв’язку структури в одномолекулярних хімічних реакціях (30 травня, Науковий експрес (Science Express)
- Атом за атомом, зв’язок за зв’язком, хімічна реакція, зафіксована в дії (розповідь про дослідження Національної лабораторії Лоренса Берклі, 30 травня 2013 р.)
- Веб-сайт Фелікса Фішера
- Веб-сайт Майкла Кроммі
