Ученые Университета Райса обнаружили, что они могут контролировать связи между атомами в молекуле.
Молекула, о которой идет речь, представляет собой углерод-60, также известный как бакминстерфуллерен и бакибол, обнаруженный в Райсе в 1985 году. Ученые во главе с физиками Райса Яджином Ли и Дугласом Нателсоном обнаружили, что можно смягчить связи между атомами. путем подачи напряжения и пропускания электрического тока через одиночный фуллерен.
Исследователи подробно описали свое открытие на этой неделе в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Это не означает, что мы сможем произвольно выбирать прочность материалов или что-то в этом роде», - сказал Нательсон. «Это очень специфический случай, и даже здесь было несколько неожиданно увидеть, как это происходит.
"Но в целом, если мы сможем манипулировать распределением заряда на молекулах, мы сможем повлиять на их вибрации. В будущем мы сможем начать думать о том, как лучше управлять вещами."
Эффект возникает, когда бакибол прикрепляется к поверхности золота в оптической наноантенне, используемой для измерения воздействия электрического тока на межмолекулярные связи с помощью метода, называемого рамановской спектроскопией.
Группа Нателсона построила наноантенну несколько лет назад, чтобы улавливать небольшое количество молекул в наноразмерном зазоре между золотыми электродами. Как только молекулы находятся на месте, исследователи могут охладить их, нагреть, поразить энергией лазера или электрического тока и измерить эффект с помощью спектроскопии, которая собирает информацию о частотах света, излучаемого интересующим объектом.
Постоянно совершенствуясь, исследователи обнаружили, что могут анализировать молекулярные колебания и связи между атомами в молекуле. Эта способность привела к этому эксперименту, сказал Нателсон.
Нательсон сравнил характерные частоты колебаний, демонстрируемые облигациями, с тем, как гитарная струна вибрирует на определенной частоте в зависимости от того, насколько туго она намотана. Ослабьте струну, и вибрация уменьшится, а тон понизится.
Наноантенна способна обнаруживать «тон» расстроенных колебаний между атомами с помощью рамановской спектроскопии с усилением поверхности (SERS), метода, который улучшает показания молекул, когда они прикреплены к металлической поверхности. Изоляция фуллерена в зазоре между золотыми электродами позволяет исследователям отслеживать вибрации с помощью оптического отклика, наблюдаемого с помощью SERS.
Когда бакибол прикрепляется к поверхности золота, его внутренние связи претерпевают тонкий сдвиг, поскольку электроны на стыке перестраиваются, чтобы найти свои самые низкие энергетические состояния. Эксперимент Райса показал, что колебания во всех связях немного снизились по частоте, чтобы компенсировать это.
«Думайте об этих молекулах как о шариках и пружинах», - сказал Нательсон. «Атомы - это шарики, а связи, которые удерживают их вместе, - это пружины. Если у меня есть набор шариков и пружин, и я ударю по нему, он покажет определенные колебательные режимы.
«Когда мы пропускаем ток через молекулу, мы видим, что эти вибрации включаются и начинают трястись», - сказал Нательсон. «Но мы обнаружили, к удивлению, что вибрации в бакиболах становятся мягче, и на значительную величину. Как будто пружины становятся более гибкими при высоких напряжениях в этой конкретной системе». Эффект обратим; выключи сок, и бакибол вернется в норму, сказал он.
Исследователи использовали комбинацию экспериментов и сложных теоретических расчетов, чтобы опровергнуть раннее подозрение, что за этот сдвиг ответственен хорошо известный вибрационный эффект Штарка. Эффект Штарка наблюдается, когда спектральные характеристики молекул смещаются под действием электрического поля. The Molecular Foundry, подразделение пользователей Департамента энергетики Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, сотрудничала в компоненте вычислений.
Группа Нательсона наблюдала аналогичные эффекты на молекулах олигофениленвинилена, использовавшихся в предыдущих экспериментах, что также послужило толчком к экспериментам с бакиболом. «Несколько лет назад мы видели намеки на движущиеся вибрационные энергии, но ничего такого чистого или систематического. Действительно кажется, что C-60 является чем-то особенным с точки зрения того, где он находится энергетически», - сказал он.
Открытие бакиболлов, принесшее Нобелевскую премию двум профессорам Райса, положило начало революции в области нанотехнологий. «Они были очень хорошо изучены и очень химически стабильны», - сказал Нательсон о молекулах в форме футбольного мяча. «Мы знаем, как разместить их на поверхности, что вы можете с ними сделать, чтобы они остались целыми. Это все хорошо понятно». Он отметил, что другие исследователи изучают аналогичные эффекты с помощью молекулярных манипуляций с графеном, формой углерода с одним атомным слоем.
«Я не хочу делать какие-то громкие заявления о том, что у нас есть общий метод настройки молекулярных связей во всем», - сказал Нательсон. «Но если вы хотите, чтобы химия произошла в одном месте, возможно, вы хотите сделать эту связь действительно слабой или, по крайней мере, сделать ее слабее, чем она была.
Некоторые в химическом сообществе поставили перед собой давнюю цель - получить точный контроль над тем, где и когда разрываются связи., Мы предлагаем способы подумать об этом».
Аспирант Райса Яцзин Ли является ведущим автором статьи. Соавторы: Питер Доак из Лаборатории Лоуренса в Беркли; Леор Кроник, профессор кафедры материалов и интерфейсов Научного института Вейцмана, Реховот, Израиль; и директор Molecular Foundry Джеффри Нитон, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли и член Института нанонаук Kavli Energy в Беркли. Нательсон - профессор физики и астрономии, а также электротехники и вычислительной техники в Университете Райса.
Работу поддержали Фонд Роберта А. Уэлча, Министерство энергетики, Израильский научный фонд и Центр вычислительной химии имени Лизы Мейтнер. Расчеты выполнены в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований.