Scanning tunneling mikroskopi:Computersimuleringer skærper indsigt i molekyler

Opløsningen af ​​scanningstunnelmikroskoper kan forbedres dramatisk ved at fastgøre små molekyler eller atomer til deres spids. De resulterende billeder var de første til at vise molekylers geometriske struktur og har skabt stor interesse blandt forskere i løbet af de sidste par år. Forskere fra Forschungszentrum Jülich og Det Tjekkiske Videnskabsakademi i Prag har nu brugt computersimuleringer til at få dybere indsigt i fysikken i disse nye billeddannelsesteknikker. En af disse teknikker blev præsenteret i tidsskriftet Videnskab af amerikanske forskere i foråret. Resultaterne er nu offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .

"En sammenligning mellem de eksperimentelle resultater og vores simuleringer viser fremragende overensstemmelse, og at derfor, vores teoretiske model er i stand til at forklare mekanismen bag de mikroskopiske billeder i denne familie af teknikker, " siger prof. Tautz fra Forschungszentrum Jülich. "Denne sammenligning er afgørende for at analysere billederne."

Sammen med sine kolleger fra Peter Grünberg Instituttet (PGI-3) i 2008 introducerede Tautz metoden til fastgørelse af enkeltmolekyler - i første omgang brintmolekyler, senere molekyler som kulilte – til spidsen af ​​et scanningstunnelmikroskop og bruge dem som ekstremt følsomme målesonder. Det videnskabelige samfund reagerede med stor interesse for denne metode, og teknikken er siden løbende blevet forfinet. Det gør det muligt at bruge scanningstunnelmikroskoper som en slags atomkraftmikroskop, der er i stand til at afbilde den geometriske struktur af molekyler med hidtil uset nøjagtighed.

"Valensladningsskyerne af komplekse organiske molekyler spredes ofte over hele molekylet, skjuler dermed sin atomstruktur, " siger Tautz. Fleksibelt bundne molekyler ved mikroskopets spids kan bruges som skræddersyede sensorer og signaltransducere, der alligevel er i stand til at gøre atomstrukturen synlig.

I de sidste par år, sådanne atomsensorer har også vist sig nyttige til arbejde med atomkraftmikroskoper. Derefter, i maj 2014, videnskabsmænd fra University of California, Irvine, viste for første gang, at disse sensorer også kan bruges til at forbedre signaler i en relateret billeddannelsestilstand kendt som uelastisk elektrontunnelspektroskopi. I dette tilfælde, det er sensormolekylets vibration mod mikroskopspidsen, der reagerer følsomt på overfladepotentialet af den scannede prøve.

"Vores beregninger viser effekten af ​​de elektrostatiske kræfter på den højopløselige AFM, STM, og IETS billeder", forklarer Dr. Pavel Jelínek fra Institut for Fysik ved Videnskabsakademiet i Tjekkiet i Prag. "Vi mener, at resultaterne af dette arbejde er et vigtigt bidrag til brugen af ​​uelastisk elektrontunnelspektroskopi, der gør det muligt at bruge teknikken som en yderligere informationskilde i materialevidenskab og til at udlede yderligere parametre fra billederne."