Атомно-силовая микроскопия помогает ученым показать кратность и длину связей в молекулах;
Методика может быть использована для изучения будущих графеновых электронных устройств
Ученым корпорации IBM (NYSE: IBM) впервые удалось различить химические связи в отдельных молекулах с помощью методики, известной как бесконтактная атомно-силовая микроскопия (Atomic Force Microscopy, AFM).
Молекула нанографена, атомы углерода в которой объединены связями разной длины и кратности. Изображение получено учеными IBM Research Zurich
Результаты эксперимента стимулируют дальнейшие исследования использования молекул и атомов с максимальным разрешением, и, в частности, могут быть важны для изучения графеновых устройств, возможности применения которых (включая беспроводные сети высокой пропускной способности и электронные дисплеи) в настоящее время активно рассматриваются научными и промышленными кругами.
<Мы обнаружили два механизма, позволяющих различать силы межатомных связей в молекулах. Первый основан на нахождении небольших различий в измеряемых силах химических связей. Второй механизм действительно стал неожиданностью: на изображениях, полученных с помощью атомно-силовой микроскопии, появились связи разной длины. С помощью ab initio расчетов было установлено, что причиной этого контраста являлись колебания молекулы угарного газа, присоединенной к медному наконечнику щупа микроскопа>, - пояснил ученый IBM Лео Гросс (Leo Gross).
Как отмечено в статье, проиллюстрированной на обложке номера журнала Science от 14 сентября, ученым IBM Research удалось получить изображения кратности и длин углерод-углеродных связей в молекуле C60, также известной как фуллерен или бакиболл (кластерная углеродная структура, содержащая 60 соединенных друг с другом атомов углерода и по форме напоминающая футбольный мяч), и в двух планарных молекулах полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), напоминающих небольшие хлопья графена. Эти ароматические углеводороды были синтезированы в испанском исследовательском центре Quimica Bioloxica e Materiais Moleculares (CIQUS) при Университете Сантьяго де Компостела (Universidade de Santiago de Compostela) и Национальном центре научных исследований Франции (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS).
Отдельные связи между атомами углерода в таких молекулах незначительно отличаются по силе и длине. Все важные химические, электронные и оптические свойства этих молекул зависят от различий межатомных связей в полиароматических системах. Теперь, впервые, эти различия были обнаружены как для отдельных молекул, так и для отдельных связей. Это достижение может расширить базовые знания ученых на уровне отдельных молекул, что важно для исследования новых электронных устройств, органических элементов солнечных батарей и органических светоизлучающих диодов (OLED). В частности, потенциально могут быть изучены результаты ослабления межатомных связей в зонах дефектов в графене, а также изменения связей в химических реакциях и в возбужденных состояниях вещества.
Как и в своих более ранних исследованиях (см. журнал Science за 2009 год, 325, 1110), ученые IBM использовали атомно-силовой микроскоп со щупом, к сверхтонкому кончику иглы которого была <привязана> одна молекула монооксида углерода (CO). Этот тончайший наконечник щупа вибрирует со сверхмалой амплитудой при движении щупа по образцу материала, позволяя измерить силы, действующие между наконечником и образцом (которым может служить молекула вещества), для формирования изображения. Колебания иглы преобразуются в изображение при помощи лазера, отражения луча которого меняется в зависимости от силы вибраций. Молекула монооксида углерода на кончике щупа выступает в качестве мощного увеличительного стекла, выявляя атомную структуру молекулы образца, в том числе ее межатомные связи. Это позволило отличить на изображении отдельные связи, длина которых различается всего на 0,03 ангстрема или 3 пикометра (3*10 в минус 12-й степени метра).
В предыдущих исследованиях группе ученых удалось получить изображения химической структуры отдельной молекулы, но не тончайшие различия ее межатомных связей. Способность визуально отличить различные межатомные связи близка к пределу разрешения существующей методики. Кроме того, часто другие молекулярные эффекты <затеняют> различия в кратности связей. Вследствие этого ученым пришлось выбрать и синтезировать вещества, в молекулах которых могут быть исключены возмущающие фоновые эффекты.
Для подтверждения полученных экспериментальных данных и более глубокого понимания точной природы механизмов контраста, группа ученых провела ряд теоретических расчетов с использованием квантовомеханической теории функционала электронной плотности. Ученые рассчитали параметры взаимодействия между осциллирующей иглой щупа (с молекулой CO) и молекулой образца, происходящего при формировании изображения в AFM-микроскопе. В результате, исследователи поняли, как параметры этого взаимодействия (в частности, частота колебаний наконечника) влияют на яркость и четкость элементов <мозаики> межатомных связей на изображениях, и пришли к выводу, что яркость связей на изображениях является характеристикой их кратности.
Данное исследование финансировалось в рамках ряда европейских проектов, включая ARTIST, HERODOT, CEMAS, а также испанским Министерством экономики и конкурентоспособности (Spanish Ministry of Economy and Competitiveness) и региональным правительством испанской автономной области Галисия.
Научная статья, озаглавленная "Bond-Order Discrimination by Atomic Force Microscopy" (<Установление различий кратности межатомных связей в отдельной молекуле с помощью атомно-силовой микроскопии>) и подготовленная группой авторов в составе Л. Гросса (L. Gross), Ф. Мона (F. Mohn), Н. Молла (N. Moll), Б. Шулера (B. Schuler), А. Криадо (A. Criado), Д. Пена (D. Pena), А, Гурдона (A. Gourdon) и Г. Мейера (G. Meyer), опубликована 14 сентября 2012 года в научном журнале Science (doi/10.1126/science.1225621).
IBM и нанотехнологии
Ученые всегда стремились <увидеть> и научиться управлять атомами и молекулами, чтобы расширить человеческие знания и реализовать производственные возможности на нанометровом уровне. IBM является пионером в области нанонауки и нанотехнологий, которые родились вместе с разработкой Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) сканирующего туннельного микроскопа (STM) в лаборатории IBM Zurich Research Lab в 1981 году.
За это изобретение, которое сделало возможным визуализацию отдельных атомов и, позднее, манипулирование ими, Герд Бинниг и Генрих Рорер получили в 1986 году Нобелевскую премию по физике. Атомно-силовой микроскоп (AFM), <потомок> сканирующего туннельного микроскопа STM, был разработан Биннигом в том же 1986 году. Микроскоп STM широко признан в мире как инструмент, открывший дорогу в наномир.
В 2011 году на территории научного центра IBM Research в Цюрихе была открыта новая исследовательская лаборатория мирового класса - Центр нанотехнологий имени Биннига и Рорера (Binnig and Rohrer Nanotechnology Center). Этот центр является частью стратегического научного партнерства в области нанотехнологий между IBM и Федеральной политехнической школой Цюриха (ETH Zurich), одного из ведущих технических университетов Европы.
Графическое представление 30-летней истории исследований IBM Research в области нанотехнологий можно посмотреть по адресу: http://www.capzles.com/#/0fd94480-ddbb-46b9-8698-c3a717fc116d.
Иллюстрации доступны по ссылке: http://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/sets/72157631317472684/
