Forskere detunerer et molekyle:Eksperiment viser, hvordan man blødgør atombindinger i en buckyball

(Phys.org) – Rice University-forskere har fundet ud af, at de kan kontrollere bindingerne mellem atomer i et molekyle.

Det pågældende molekyle er kulstof-60, også kendt som buckminsterfulleren og buckyball, opdaget ved Rice i 1985. Forskerne ledet af Rice-fysikerne Yajing Li og Douglas Natelson fandt ud af, at det er muligt at blødgøre bindingerne mellem atomer ved at påføre en spænding og køre en elektrisk strøm gennem en enkelt buckyball.

Forskerne detaljerede deres opdagelse i denne uge på nettet Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Dette betyder ikke, at vi vil være i stand til vilkårligt at ringe omkring styrken af ​​materialer eller noget lignende, " sagde Natelson. "Dette er en meget specifik sag, og selv her var det noget af en overraskelse at se dette foregå.

"Men generelt set hvis vi kan manipulere ladningsfordelingen på molekyler, vi kan påvirke deres vibrationer. Vi kan begynde at tænke, i fremtiden, om at kontrollere tingene på en bedre måde."

Effekten opstår, når en buckyball hæfter sig på en guldoverflade i den optiske nanoantenne, der bruges til at måle virkningerne af en elektrisk strøm på intermolekylære bindinger gennem en teknik kaldet Raman-spektroskopi.

Natelsons gruppe byggede nanoantennen for et par år siden for at fange et lille antal molekyler i en nanoskala mellemrum mellem guldelektroder. Når molekylerne er på plads, forskerne kan køle dem ned, opvarme dem, spræng dem med energi fra en laser eller elektrisk strøm og mål effekten gennem spektroskopi, som samler information fra frekvenserne af lys udsendt af objektet af interesse.

Med fortsat forfining, forskerne fandt ud af, at de kunne analysere molekylære vibrationer og bindingerne mellem atomerne i molekylet. Den evne førte til dette eksperiment, sagde Natelson.

Natelson sammenlignede de karakteristiske vibrationsfrekvenser, som bindingerne udviser, med den måde, en guitarstreng vibrerer ved en bestemt frekvens baseret på, hvor tæt den er viklet. Løsn strengen, og vibrationen aftager, og tonen falder.

Nano-antennen er i stand til at detektere "tonen" af afstemte vibrationer mellem atomer gennem overfladeforstærket Raman-spektroskopi (SERS), en teknik, der forbedrer aflæsningerne fra molekyler, når de er knyttet til en metaloverflade. Ved at isolere en buckyball i mellemrummet mellem guldelektroderne lader forskerne spore vibrationer gennem den optiske respons set via SERS.

Når en buckyball hæfter på en guldoverflade, dens indre bindinger gennemgår et subtilt skift, da elektroner ved krydset omarrangerer sig for at finde deres laveste energitilstande. Rice-eksperimentet fandt, at vibrationerne i alle bindingerne faldt en smule i frekvens for at kompensere.

"Tænk på disse molekyler som kugler og fjedre, " sagde Natelson. "Atomerne er kuglerne og bindingerne, der holder dem sammen, er fjedrene. Hvis jeg har en samling bolde og fjedre, og jeg smækker den, det ville vise visse vibrationstilstande.

"Når vi skubber strøm gennem molekylet, vi ser disse vibrationer tænde og begynde at ryste, " sagde Natelson. "Men vi fandt, overraskende, at vibrationerne i buckyballs bliver blødere, og med et betydeligt beløb. Det er, som om fjedrene bliver mere diskrete ved høje spændinger i dette særlige system." Effekten er reversibel; sluk for juicen, og buckyballen går tilbage til normal, han sagde.

Forskerne brugte en kombination af eksperimenter og sofistikerede teoretiske beregninger til at afkræfte en tidlig mistanke om, at den velkendte vibrationelle Stark-effekt var ansvarlig for skiftet. Stark-effekten ses, når molekylers spektrale reaktioner skifter under påvirkning af et elektrisk felt. Molekylært støberi, en Department of Energy User Facility ved Lawrence Berkeley National Laboratory, samarbejdet om beregningskomponenten.

Natelsons gruppe havde spioneret lignende effekter på oligophenylen vinylen molekyler brugt i tidligere eksperimenter, også foranlediget til buckyball-eksperimenterne. "For et par år siden så vi antydninger af vibrationsenergier, der bevægede sig rundt, men intet så rent eller så systematisk. Det ser ud til, at C-60 er noget speciel i forhold til, hvor den sidder energisk, " han sagde.

Opdagelsen af ​​buckyballs, som fik en Nobelpris til to risprofessorer, kickstartede den nanoteknologiske revolution. "De er blevet undersøgt meget godt, og de er meget kemisk stabile, " Natelson sagde om de fodbold-formede molekyler. "Vi ved, hvordan man sætter dem på overflader, hvad du kan gøre ved dem og få dem stadig at være intakte. Dette er alt sammen godt forstået." Han bemærkede, at andre forskere ser på lignende effekter gennem molekylær manipulation af grafen, den enkelt-atomare lag form af kulstof.

"Jeg ønsker ikke at fremsætte nogle store påstande om, at vi har en generel metode til at tune den molekylære binding i alting, " sagde Natelson. "Men hvis du ønsker, at kemi skal foregå på ét sted, måske vil du gøre det bånd virkelig svagt, eller i det mindste gøre det svagere, end det var.

"Der er et længe søgt mål af nogle i kemimiljøet at få præcis kontrol over, hvor og hvornår bindinger brydes. De vil gerne specifikt drive visse bindinger, sørg for, at visse bånd bliver ophidsede, sørg for, at nogle går i stykker. Vi tilbyder måder at tænke på at gøre det på."