Strukturel isomerisering af individuelle molekyler ved hjælp af en scanning tunneling mikroskop sonde

Et internationalt forskerhold er for første gang lykkedes med at kontrollere individuelle molekylers chiralitet gennem strukturel isomerisering. Holdet, ledet af NIMS, Osaka University Graduate School of Science og Kanazawa University Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), lykkedes også med at syntetisere meget reaktive diradikaler med to uparrede elektroner. De udførte disse opgaver ved hjælp af en scanning tunneling mikroskop sonde ved lave temperaturer.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Det er normalt ret udfordrende at kontrollere kiraliteten af ​​individuelle molekylære enheder og syntetisere ekstremt reaktive diradikaler i organisk kemi; dette har forhindret en detaljeret undersøgelse af de elektroniske og magnetiske egenskaber ved diradikaler. Disse spørgsmål inspirerede til udviklingen af ​​kemiske reaktionsteknikker til at kontrollere strukturer af individuelle molekyler på overfladen.

Forskerholdet udviklede for nylig en teknik, der giver dem mulighed for at ændre chiraliteten af ​​specifikke individuelle molekylære enheder i en tredimensionel nanostruktur på en kontrolleret måde. De opnåede dette ved at excitere en målmolekylær enhed med tunnelstrøm fra en scanning tunneling mikroskop sonde ved lav temperatur under ultrahøjt vakuum forhold.

Ved præcist at kontrollere strøminjektionsparametre (f.eks. det molekylære sted, hvor tunnelstrømmen injiceres ved en given påført spænding), var holdet i stand til at omarrangere molekylære enheder i tre forskellige konfigurationer:to forskellige stereoisomerer og en diradikal. Endelig demonstrerede holdet kontrollerbarheden og reproducerbarheden af ​​den strukturelle isomerisering ved at indkode ASCII-tegn (læse "NanoProbe Grp. NIMS") ved hjælp af binære og ternære værdier i en række endimensionelle molekylære arrays, hvor hver array repræsenterer et enkelt tegn.

I fremtidig forskning planlægger holdet at fremstille nye kulstofnanostrukturer sammensat af designermolekylære enheder, hvis konfigurationer styres via den strukturelle isomeriseringsteknik, der er udviklet i dette projekt. Derudover vil holdet undersøge muligheden for at skabe kvantematerialer, hvor radikale molekylære enheder leder magnetiske udvekslingskoblinger mellem enhederne som designet - en kvantemekanisk effekt.

Dette projekt blev udført af et forskerhold bestående af Shigeki Kawai (leder, Nanoprobe Group (NG), Center for Grundlæggende Forskning i Materialer (CBRM), NIMS), Zhangyu Yuan (Junior Researcher, NG, CBRM, NIMS), Kewei Sun (ICYS Research Fellow, NG, CBRM, NIMS), Oscar Custance (Managing Researcher, NG, CBRM, NIMS), Takashi Kubo (Professor, Department of Chemistry, Graduate School of Science, Osaka University) og Adam S. Foster (Professor, Nano Life Science Institute, Kanazawa University også professor, Aalto University).

Flere oplysninger: Shigeki Kawai et al., Lokal probe-induceret strukturel isomerisering i en endimensionel molekylær array, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43659-4

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af National Institute for Materials Science