De første billeder i høj opløsning nogensinde af et molekyle, når det bryder og omdanner kemiske bindinger

Da Felix Fischer fra det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) satte sig for at udvikle nanostrukturer lavet af grafen ved hjælp af en ny, kontrolleret tilgang til kemiske reaktioner, det første resultat var en overraskelse:spektakulære billeder af individuelle kulstofatomer og bindingerne mellem dem.

"Vi tænkte ikke på at lave smukke billeder; selve reaktionerne var målet, siger Fischer, en stabsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division (MSD) og en professor i kemi ved University of California, Berkeley. "Men for virkelig at se, hvad der skete på enkeltatomniveau, var vi nødt til at bruge et unikt følsomt atomkraftmikroskop i Michael Crommies laboratorium." Crommie er en MSD-forsker og professor i fysik ved UC Berkeley.

Hvad mikroskopet viste forskerne, siger Fischer, "var fantastisk." De specifikke resultater af reaktionen var i sig selv uventede, men det visuelle bevis var endnu mere. "Ingen har nogensinde taget direkte, enkeltbindingsopløste billeder af individuelle molekyler, lige før og umiddelbart efter en kompleks organisk reaktion, " siger Fischer.

Forskerne rapporterer deres resultater i juni 7. 2013-udgaven af ​​tidsskriftet Videnskab , tilgængelig på forhånd d Science Express .

Grafen nanostrukturer fra bunden og op

Grafen nanostrukturer kan danne transistorer, logiske porte, og andre elementer af udsøgt små elektroniske enheder, men for at blive praktiske skal de masseproduceres med atomær præcision. Hit-eller-miss, top-down teknikker, såsom eksfolierende grafit eller lukning af kulstofnanorør, kan ikke klare jobbet.

Fischer og hans kolleger satte sig for at konstruere grafen nanostrukturer fra bunden og op, ved at omdanne lineære kæder af carbonatomer til udvidede hexagonale plader (polyaromatiske carbonhydrider), ved hjælp af en reaktion oprindeligt opdaget af UC Berkeley professor Robert Bergman. Det første krav var at udføre reaktionerne under kontrollerede forhold.

"I løsning, mere end et dusin forbindelser kunne være produkterne af den reaktion, vi brugte, og det ville være svært at karakterisere resultaterne, " siger Fischer. "I stedet for en 3D-løsning skabte vi et 2D-system. Vi sætter vores startmolekyle" - en struktur kaldet oligo-enediyn, sammensat af tre benzenringe forbundet med carbonatomer - "på en sølvoverflade, og inducerede derefter reaktioner ved at opvarme det."

Fischers gruppe samarbejdede med mikroskopieksperten Crommie for at udtænke den bedst mulige udsigt. Det første forsøg på at spore reaktionerne brugte et scanning tunneling mikroskop (STM), som registrerer elektroniske tilstande, når de bringes inden for et par milliardtedele af en meter (nanometer) fra prøvens overflade. Men billedopløsningen af ​​det lille molekyle og dets produkter - hver kun omkring en nanometer på tværs - var ikke god nok til pålideligt at identificere de molekylære strukturer.

Samarbejdspartnerne vendte sig derefter til en teknik kaldet noncontact atomic force microscopy (nc-AFM), som sonderer overfladen med en skarp spids. Spidsen afbøjes mekanisk af elektroniske kræfter meget tæt på prøven, bevæger sig som en grammofonnål i en rille.

"Et carbonmonoxidmolekyle adsorberet på spidsen af ​​AFM 'nålen' efterlader et enkelt oxygenatom som sonden, " Fischer forklarer. "At flytte denne 'atomfinger' frem og tilbage over sølvoverfladen er som at læse blindeskrift, som om vi mærkede de små bump i atomskala, som atomerne laver." Fischer bemærker, at AFM-billeddannelse i høj opløsning først blev udført af Gerhard Meyers gruppe hos IBM Zürich, "men her bruger vi det til at forstå resultaterne af en grundlæggende kemisk reaktion."

Den enkeltatoms bevægende finger på nc-AFM kunne ikke kun føle de individuelle atomer, men de kræfter, der repræsenterer bindingerne dannet af elektronerne, der deles mellem dem. De resulterende billeder havde en forbløffende lighed med diagrammer fra en lærebog eller på tavlen, bruges til at undervise i kemi, bortset fra her kræves ingen fantasi.

siger Fischer, "Det, du ser, er, hvad du har - virkningerne af elektronkræfterne blandt atomerne, og endda obligationsordren. Du kan skelne single, dobbelt, og tredobbelte obligationer."

En kemisk binding er ikke et så simpelt koncept, som det kan se ud, imidlertid. Fra snesevis af muligheder, startmolekylets reaktion gav ikke det, der intuitivt syntes Fischer og hans kolleger var de mest sandsynlige produkter. I stedet, reaktionen producerede to forskellige molekyler. Den flade sølvoverflade havde gjort reaktionen synlig, men også formet den på uventede måder.

nc-AFM mikroskopi gav slående visuel bekræftelse af de mekanismer, der ligger til grund for disse syntetiske organiske kemiske reaktioner, og de uventede resultater forstærkede løftet om denne kraftfulde nye metode til at bygge avancerede elektroniske enheder i nanoskala fra bunden og op.

Før meget mere komplekse grafitiske nanostrukturer kan være resultatet af denne unikke tilgang, siger Fischer, "Store opdagelser ligger forude."