Dykker ned i atomområdet

Modeller og skematiske diagrammer er kraftfulde værktøjer til at studere kemiens grundlæggende funktion, men de er ikke nok for Wilson Ho.

"Atomer, molekyler og bindingerne, der holder dem sammen – jeg vil gerne se disse ting, som de faktisk optræder i naturen, " siger Ho, UCI's Donald Bren professor i fysik og astronomi og kemi. "Disse fænomener er centrale for kemi; det er vigtigt at afbilde dem direkte i stedet for blot at studere dem fra tegninger i lærebøger."

Hej, som kom til UCI i 2000, har gjort en karriere ud af at forsøge at forstå intermolekylær adfærd. Han ønsker at vide, "hvad arten af ​​denne interaktion er, hvad sker der i virkeligheden på tidspunktet for binding, og hvad får molekyler til at tiltrække hinanden og danne mere komplicerede, udvidede strukturer?"

I de seneste måneder har han og hans forskergruppe har gjort betydelige gennembrud i deres bestræbelser på at se disse hidtil usynlige processer. Deres mål var at få et øjebliksbillede af kemiske bindinger, der involverer fluor, som deler en kolonne i det periodiske system med andre såkaldte halogenelementer, inklusive klor, brom og jod.

Fluor bruges i mange lægemidler og i polymerer, der udgør mange af de materialer, folk bruger dagligt. Men, ifølge Ho, selv producenter, der håndterer molekyler, der indeholder grundstoffet, er ikke klar over, hvordan det interagerer med tilstødende forbindelser.

Ved at bruge en enestående, håndlavet mikroskop, Ho og hans kandidatstuderende lykkedes med at afbilde halogenbindinger i det virkelige rum og rapporterede deres resultater i Videnskab den her sommer.

"Visninger, der tidligere er opnået gennem vores metode, har vist, at mange kemiske bindinger er ret ens i den virkelige verden, som du ser i litteraturen:dybest set, atomer med linjer, der forbinder dem, " siger Ho. "Men mønstret af fluor-halogenbindingen – en slags pinwheel-form – var ret overraskende, bestemt anderledes end alt, hvad du ville tegne på et ark papir."

Veteranforskeren siger, at denne forskningslinje har ansporet en evolution i hans tænkning om kemiske bindinger, som er tariferet under sådanne positioner som brint, kovalent, ionisk og halogen, samt svage bånd kendt som Van der Waals interaktioner, som Ho sammenligner med en gekkos klæbrige fodspor.

"Den dybere implikation af vores arbejde er, at alle disse forskellige typer kemiske bindinger kan beskrives i et mere samlet billede, " siger han. "Ved at bruge vores apparat og teknik, vi kan se, at stærke kovalente bindinger og svagere halogenbindinger ser meget ens ud; der er bare en forskel i styrke og graden af ​​elektrondeling."

Nøglen til alle de opdagelser, der kommer fra Ho's laboratorium, er et instrument kaldet et scanningstunnelmikroskop. Optager tre niveauer i kælderen i Reines Hall, det store sammensurium af kamre og rør i rustfrit stål - meget af det dækket af krøllet folie - er forbundet med kilometervis af ledninger og kabler og omgivet af banker af computere og andet elektronisk udstyr.

Designet og bygget af Ho og kandidatstuderende, apparatet svæver på et sæt af fire stødabsorberende stolper for at minimere enhver forstyrrelse fra eksterne vibrationer. Dette mikroskop bruger ikke en optisk linse. I stedet, det afbilder molekyler med en elektron-emitterende spids, eller nål, placeret kun 5 ångstrøm fra emner. (Sammenlignet med, et brintatom er en halv ångstrøm.) Nålen er stabil til en tusindedel af en ångstrøm.

En anden nøgle til instrumentets stabilitet og præcision er dets driftstemperatur, 600 millikelvin. Absolut nul, den laveste teoretiske temperatur, er koldere med kun seks tiendedele af en kelvin.

"Dette giver os en meget god energiopløsning, som giver os mulighed for præcist at måle små elektrostatiske krusninger inde i og mellem de molekyler, vi studerer, " siger Ho. "Vi kan få billeder ved at overvåge variationer i vibrationsintensiteten af ​​vores sondemolekyle."

For at komme ned på den temperatur, han tapper sin egen forsyning af flydende helium, som han genbruger i et andet Reines Hall-anlæg, også designet og konstrueret af hans team. "Vi kan godt lide at bygge vores egne instrumenter, " siger Ho. "Det giver god træning for eleverne. Når de går herfra, de kan stole på al den erfaring med at løse problemer og lave enheder. Det er der ikke mange steder, der gør."

En sådan kandidatstuderende, Gregory Czap, har sat sit præg på mikroskopet ved at opfinde sammenlåsende anordninger, der lader forskere hurtigt skifte eksperimenter.

"Jeg synes, det er ret fænomenalt at komme i gang med en maskine som denne, " siger han. "Det giver dig muligheden for at se på enkelte atomer og bindinger. Ting som, for ikke så længe siden, folk troede ikke, du nogensinde ville være i stand til at se. Og mere end at se på dem, du kan lege med dem. Du kan gøre ting som at bryde og danne bånd. Du kan omplacere molekyler for at se, hvordan de interagerer med hinanden. Det er bare fantastisk."