Driver fotokemi med sub-molekylær præcision

Absorption af lys igangsætter mange naturlige og kunstige kemiske processer, for eksempel fotosyntese i planter, menneskesyn eller endda 3D-print. Indtil nu virkede det umuligt at kontrollere en lysdrevet kemisk reaktion på atomær skala, hvor kun en specifik del af et molekyle behandles.

Vores internationale team af forskere har fundet en løsning på det problem ved at bruge lyskoncentrationen i et volumen i atomskala i toppen af ​​en metallisk spids. Vi var i stand til at inducere omskiftning af to brintatomer i et molekyle, en proces kaldet tautomerisering, og at kontrollere reaktionshastigheden og dens udfald ved at skinne lys på forskellige dele af molekylet.

Vores forskning er publiceret i tidsskriftet Nature Nanotechnology . I fremtiden vil denne strategi kunne bruges til at syntetisere nye kemiske forbindelser med egenskaber kontrolleret med atomær præcision.

Synet starter med retinale molekyler, der absorberer lys, der rammer øjet. Den energi, der høstes fra fotoner, lagres i meget kort tid i molekylet og kan bruges til at igangsætte en kemisk reaktion, i dette tilfælde isomerisering – en ændring i atomernes og bindingernes konfiguration.

De omgivende forbindelser registrerer denne ændring af nethindens form, hvilket fører til en kaskade af begivenheder, der til sidst opdages af vores hjerne. Andre lys-inducerede kemiske reaktioner er vigtige i mekanismer såsom fotosyntese i planter eller fotopolymerisation, der anvendes i både halvlederindustrien til ætsning og 3D-print.

Selvom fotoreaktioner spiller en afgørende rolle i både naturen og industrien, er det ekstremt vanskeligt at studere og kontrollere sådanne kemiske transformationer ved den mest basale enhed, det vil sige et enkelt molekyle, der interagerer med lys.

I det sædvanlige tilfælde vil lys interagere med mange molekyler på samme tid, fordi bølgelængderne af synlige fotoner (400-800 nm) er to størrelsesordener større end størrelsen af ​​et sædvanligt optisk aktivt molekyle (1-4 nm). Typisk optisk mikroskopi er ikke tilstrækkelig til at opnå en sådan præcision i at undersøge samspillet mellem lys og stof.

At overvinde dette problem og være i stand til at lege med en fotokemisk reaktion med sub-nanometer præcision var målet for vores internationale team baseret i Frankrig, Tjekkiet og Tyskland.

Vi løser dette problem ved at bruge evnen til meget skarpe scanning tunneling mikroskopi (STM) spidser, med kun et enkelt atom i deres spids, til at koncentrere laserlyset ned til sub-nanometer skalaen. Disse metalliske spidser virker på samme måde som sædvanlige radiofrekvensantenner, bortset fra at de arbejder i optiske frekvenser af det elektromagnetiske spektrum.