Tryk på en enkelt-molekyle kontakt

Et internationalt team af forskere fra Donostia International Physics Center, Fritz-Haber Institute of the Max Planck Society, University of Liverpool, og det polske videnskabsakademi har vist en ny måde at betjene en enkelt-molekyle switch ved at anvende en ekstern kraft.

Det kombinerede eksperimentelle og teoretiske arbejde, udgivet i denne uge i Naturkemi , åbner en unik mulighed for at studere mekanisk aktivering og behandling på enkelt-molekyle niveau, elementære reaktioner, der er involveret i mange vigtige biologiske funktioner og er afgørende i molekylære enheder.

Den kraft, der kræves for at aktivere en lyskontakt på en væg, er lille. Men hvor meget kraft skal du bruge, hvis enheden var på nanoskala? |Det vil sige, hvor meget kraft skal du bruge for at betjene en "single-molecule switch?" Dette grundlæggende spørgsmål er ikke kun relateret til grundlæggende videnskab, men også til potentielle fremtidige anvendelser af molekylære enheder.

Forskere ved Donostia International Physics Center, San Sebastian (Baskerlandet, Spanien), Fritz-Haber Institute of the Max Planck Society, Berlin (Tyskland), University of Liverpool, (UK) og det polske videnskabsakademi, Det er lykkedes Warszawa (Polen) på kontrolleret vis at aktivere en "single-molecule switch" ved kraften fra den atomisk skarpe nål i et avanceret scanning-probe-mikroskop.

Den eksperimentelle og teoretiske undersøgelse, rapporteret i dag i det prestigefyldte tidsskrift Naturkemi , viser, at en intramolekylær hydrogenatomoverførsel kan udløses i et passende organisk molekyle adsorberet på en overflade ved at bringe den skarpe metalspids tilstrækkelig tæt på. Reaktionen, kaldet tautomerisering, er vigtig i organisk kemi og molekylærbiologi og også et interessant fænomen for molekylære elektroniske enheder.

Forskerne kunne ikke kun kvantificere den kraft, der var nødvendig for at betjene deres lille kontakt, et porphycen molekyle på en kobberoverflade, men også afsløre, at skiftet kun kan induceres ved en meget specifikke positioner af spidsen over molekylet, med en rumlig opløsning på en brøkdel af en kemisk bindingslængde, nemlig omkring 0,00000002 millimeter. Desuden, de demonstrerede betydningen af ​​den "kemiske reaktivitet" af spidsspidsen i den kraftinducerede proces, da molekylet ikke kan skiftes, når spidsen af ​​nålen er dekoreret af et enkelt xenonatom – et inert element, der mangler den nødvendige kemiske reaktivitet.

Takashi Kumagai hos FHI-MPG, hvem udtænkte denne undersøgelse, konstrueret den eksperimentelle opsætning, hvor en oscillerende nål af en kombineret atomkraft og scanning tunneling mikroskop nærmes inden for få atomare afstande til molekylet. Skiftet viste sig som et karakteristisk træk i frekvensskiftene ved tilnærmelse af spidsen og blev også bekræftet af ændringer på atomskalabillederne ved samtidig at scanne spidsen over molekylet. Det blev målt, at den nødvendige kraft var omkring en nano-Newton, hvilket er lidt mindre end den kraft, der skal til for at bryde en typisk kovalent binding mellem to atomer.

Forskerholdet udførte også omfattende computersimuleringer for at belyse den atomistiske mekanisme bag den kraftinducerede omskiftning. Simuleringerne reproducerede med succes de eksperimentelle resultater og gav atomistisk beskrivelse af driften af ​​enkeltmolekyle-omskifteren. Thomas Frederiksen, Ikerbaskisk forskningsprofessor ved Donostia International Physics Center (DIPC) - UPV/EHU forklarer, at "vores beregninger viste, at tautomeriseringen, det er skiftet, opstår ved en reduktion af dens energiaktiveringsbarriere ved tilnærmelse af en metallisk spids. Imidlertid, adfærden ændrer sig dramatisk med en xenon-termineret spids, og ingen tautomerisering kunne induceres på grund af dens inerthed og blødhed."

Forskerne understreger, at den undersøgte kraftinducerede reaktion, der involverer ændringer i reaktionsvejen, ligner et elementært trin i katalytiske processer. Derfor, deres resultater giver også en ny strategi til at få en dybere atomistisk indsigt i katalytiske reaktioner, fører til en ny kontrol af kemi på atomniveau.