Impulser fra en atomskarp spids gør det muligt for forskere at bryde og danne kemiske bindinger efter eget ønske

Kemiske reaktioner giver ofte rodet blandinger af forskellige produkter. Derfor bruger kemikere meget tid på at lokke deres reaktioner til at være mere selektive til at lave bestemte målmolekyler. Nu har et internationalt hold af forskere opnået den slags selektivitet ved at levere spændingsimpulser til et enkelt molekyle gennem en utrolig skarp spids.

"At kontrollere en kemisk reaktions vej, afhængigt af de anvendte spændingsimpulser, er hidtil uset og meget tillokkende for kemikere," siger KAUSTs Shadi Fatayer.

Holdet brugte et instrument, der kombinerer scanning tunneling mikroskopi (STM) og atomic force microscopy (AFM). Begge teknikker kan kortlægge atomernes positioner inden for individuelle molekyler ved hjælp af en spids, der kan være blot et par atomer bred. Men spændingen kan også bruges til at bryde bindinger i et molekyle, hvilket potentielt giver mulighed for at danne nye bindinger.

"Tip-kontrollerede reaktioner er tidligere blevet udført, men der var ingen kontrol over det endelige produkt," siger Fatayer. "Selektiviteten er nøgleelementet her - afhængigt af polariteten og værdien af ​​spændingsimpulserne kan vi danne og bryde forskellige interne bindinger efter ønske."

Forskerne brugte denne tilgang til at studere tetrachlortetracen, et molekyle, der indeholder fire kloratomer knyttet til en række af fire sekskantede ringe af kulstofatomer. Påføring af en spænding på omkring 3,5V fjernede to kloratomer og fik molekylet til at omarrangere. Forøgelse af spændingen fjernede de resterende kloratomer, hvilket udløste yderligere omlejringer, der dannede tre forskellige produkter.

Det første produkt har fire sekskantede ringe arrangeret i et zig-zag mønster; den anden har en 10-leddet ring flankeret af to seksleddede ringe; og den tredje indeholder en fireleddet ring, en otteleddet ring og to seksleddet ringe.

Små spændingsimpulser kunne bruges til at interkonvertere disse produkter. Ved at finjustere spændingen kunne forskerne kontrollere, hvilke bindinger der blev brudt, og hvilket omlejringsprodukt der blev dannet.

Ved at kombinere deres resultater med teoretiske beregninger viste forskerne, at metodens selektivitet afhænger af landskabet af energitilstande, som molekylerne indtager, når de bærer forskellige elektriske ladninger, kendt som deres oxidationstilstand. Da den indledende oxidationstilstand af et molekyle kan styres af et elektrisk felt, kan denne tilgang hjælpe kemikere med at designe nye kemiske reaktioner og produkter, siger Fatayer. Denne forskning blev vist på forsiden af ​​Science .

Hans gruppe er nu ved at udvikle måder at tilføje eller fjerne enkelte elektroner til individuelle molekyler og til at påføre spændingsimpulser til specifikke dele af et molekyle for at kontrollere, hvilken kemisk reaktion der opstår. + Udforsk yderligere

Kemikere ændrer bindingerne mellem atomer i et enkelt molekyle for første gang