Ser på siderne af molekyler:Lateral kraftmikroskopi afslører hidtil usete brintatomer

Forskere ved University of Regensburg og Graz University of Technology har vist, at brintatomer på siderne af molekyler, der ligger på en overflade, kan ses direkte. Undersøgelsen, offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , beskriver, at ved at se ved siden af ​​molekylerne kunne positionen og tilstedeværelsen af ​​de tidligere skjulte brintatomer afsløres.

Hydrogenatomer placeret ved kanterne af molekyler påvirker mange egenskaber af disse molekyler, herunder hvordan de interagerer med andre molekyler. Hydrogenbindinger er en af ​​de mest almindelige former for molekylære interaktioner, hvor et positivt ladet brintatom ved siden af ​​et molekyle tiltrækkes af et negativt atom i et nabomolekyle.

Hydrogenbindinger er af stor betydning inden for syntese på overfladen, hvor molekyler først absorberes på en overflade og derefter reagerer med hinanden. Men på trods af deres betydning har direkte observationer af disse små, men vigtige atomer været uhåndgribelige.

For at visualisere siderne af molekyler brugte forskere en specialiseret teknik afledt af atomkraftmikroskopi (AFM).

I AFM bringes en skarp spids tæt på en overflade, og kræfterne på spidsen registreres, når den bevæger sig hen over overfladen. Tidligere AFM-eksperimenter fokuserede på den lodrette kraftkomponent og afslørede ikke brintatomerne på siderne af molekyler. For at overvinde denne begrænsning brugte forskere lateral kraftmikroskopi (LFM), som måler de vandrette kræfter, der udøves på AFM-spidsen.

PD Dr. Alfred J. Weymouth fra arbejdsgruppen af ​​Prof. Dr. Franz J. Gießibl, indehaver af Chair of Quantum Nanoscience ved UR, er en førende ekspert inden for LFM. Han fremhævede dets unikke egenskaber og udtalte:"På trods af det faktum, at det ikke er meget udbredt, tilbyder LFM adskillige fordele i forhold til konventionel AFM, herunder exceptionel afstandsfølsomhed, der muliggør udtrækning af fysiske parametre fra et enkelt billede og evnen til at kvantificere friktionskræfter ved at glide et enkelt atom hen over kemiske bindinger."

Ved at måle den laterale kraft, der udøves på AFM-spidsen ved kanterne af molekylerne, var Dr. Weymouth og kolleger i stand til direkte at visualisere brintatomerne. De rå data fra eksperimenterne kunne sammenlignes direkte med teoretiske beregninger, hvilket giver en dybere forståelse af de atomare interaktioner i spil.

Mens atom-atom-interaktioner ofte modelleres ved hjælp af forenklede afstandsafhængige funktioner, afslørede sammenligning af disse modeller med de eksperimentelle data begrænsningerne af disse tilnærmelser, hvilket understreger vigtigheden af ​​at inkorporere yderligere faktorer i disse teoretiske rammer. Denne indsigt er værdifuld for både AFM- og LFM-undersøgelser, da den giver forskere mulighed for at forfine deres forståelse af grundlæggende atomare interaktioner.

Evnen til direkte at observere brintatomer markerer et betydeligt gennembrud for forskere, der giver et kraftfuldt værktøj til at belyse de indviklede mekanismer og mellemtrin af kemiske reaktioner på overfladen. Denne fremgang rummer et enormt potentiale for at accelerere fremskridt på forskellige områder, herunder overfladekatalyse og molekylære interaktioner i den menneskelige krop.

Udviklingen af ​​denne nye teknik repræsenterer et væsentligt skridt fremad i vores forståelse af den mikroskopiske verden, der åbner nye veje for forskning og innovation. Ved direkte at visualisere brintatomers adfærd kan forskere få dybere indsigt i de grundlæggende processer, der styrer molekylernes interaktioner, hvilket baner vejen for transformative fremskridt på forskellige områder.

Flere oplysninger: Shinjae Nam et al., Udforskning af interaktioner i planet ved siden af ​​et adsorberet molekyle med lateral kraftmikroskopi, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2311059120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Regensburg