Мечта каждого химика - сфотографировать химическое вещество в атомном масштабе до и после его реакции - теперь сбылась благодаря новой методике, разработанной химиками и физиками Калифорнийского университета в Беркли.
Используя современный атомно-силовой микроскоп, ученые сделали первые снимки атом за атомом, в том числе изображения химических связей между атомами, четко показывающие, как структура молекулы изменялась во время реакции. До сих пор ученые могли получать информацию такого типа только из спектроскопического анализа.
"Несмотря на то, что я использую эти молекулы каждый день, на самом деле возможность видеть эти картинки поразила меня. Вау!" сказал ведущий исследователь Феликс Фишер, доцент кафедры химии Калифорнийского университета в Беркли. «Это было то, что мои учителя говорили, что вы никогда не сможете увидеть на самом деле, и теперь у нас есть это здесь».
Возможность изображать таким образом молекулярные реакции поможет не только студентам-химикам при изучении химических структур и реакций, но и впервые покажет химикам продукты их реакций и поможет им точно настроить реакции чтобы получить продукты, которые они хотят. Фишер вместе с соавтором Майклом Кромми, профессором физики Калифорнийского университета в Беркли, сделали эти изображения с целью создания новых графеновых наноструктур, что сегодня является горячей областью исследований материаловедов из-за их потенциального применения в компьютерах следующего поколения.
«Однако последствия выходят далеко за рамки простого графена», - сказал Фишер.«Эта методика найдет применение, например, при изучении гетерогенного катализа, который широко применяется в нефтяной и химической промышленности. Гетерогенный катализ предполагает 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 действительно образовались, а какие разорвались», - добавил он. «Этот метод сейчас уникален по точности, с которой он дает вам структурную информацию. Я думаю, что это новатор».
«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 создать новые инженерные наноструктуры, такие 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 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 детальный 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 из нее выходит что-то еще, но обычно вы получаете только очень косвенную информацию о том, что у вас есть», - сказал Фишер. «Вы должны сделать вывод, взяв спектры ядерного магнитного резонанса, инфракрасного или ультрафиолетового излучения. Это больше похоже на головоломку: собрать всю информацию воедино, а затем определить, что представляет собой вероятная структура. Но это всего лишь тень. Здесь мы на самом деле имеем техника под рукой, где мы можем посмотреть на нее и сказать, что это именно молекула. Это как сделать снимок».
Fischer разрабатывает новые методы создания графеновых наноструктур, обладающих необычными квантовыми свойствами, которые могут сделать их полезными в электронных устройствах наномасштаба. Атомы углерода расположены шестиугольно, как проволочная сетка. Вместо того, чтобы разрезать лист чистого углерода - графена - он надеется поместить на поверхность группу более мелких молекул и заставить их собраться вместе в желаемую архитектуру. По его словам, проблема заключается в том, как определить, что на самом деле было сделано.
Именно тогда он обратился к Кромми, который использует атомно-силовые микроскопы для исследования поверхностей материалов с атомарным разрешением и даже перемещает атомы по отдельности на поверхности. Работая вместе, они разработали способ охладить реакционную поверхность и молекулы до температуры жидкого гелия - около 4 Кельвинов, или 270 градусов по Цельсию ниже нуля, - что предотвращает раскачивание молекул. Затем они использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы определить местонахождение всех молекул на поверхности, и остановились на нескольких, чтобы более точно изучить их с помощью атомно-силового микроскопа. Чтобы улучшить пространственное разрешение своего микроскопа, они поместили одну молекулу монооксида углерода на иглу. Метод, называемый бесконтактным АСМ, впервые был использован Герхардом Мейером и его сотрудниками из IBM в Цюрихе для изображения молекул несколько лет назад..
После визуализации молекулы - «циклической» структуры с несколькими шестиугольными кольцами углерода, которую Фишер создал специально для этого эксперимента - Фишер, Кромми и их коллеги нагревали поверхность до тех пор, пока молекула не прореагировала, а затем снова охладили поверхность до 4 Кельвина и изобразил продукты реакции.
Делая это на поверхности, вы ограничиваете реакционную способность, но у вас есть преимущество, заключающееся в том, что вы можете посмотреть на одну молекулу, дать ей имя или номер, а затем посмотреть, во что она превратится на продуктов», - сказал он.
"В конечном счете, мы пытаемся разработать новую химию поверхности, которая позволит нам создавать более упорядоченные архитектуры на поверхностях, и это может привести к таким приложениям, как создание электронных устройств, устройств хранения данных или логических элементов из углеродных материалов."
Соавторы исследования Димас Г. де Отейза, Йен-Чиа Чен, Себастьян Викенбург, Александр Рисс, Захра Педрамрази и Хсин-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 работают в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.
Работа спонсируется Управлением военно-морских исследований, Министерством энергетики и Национальным научным фондом.