Rozróżnianie wiązań chemicznych w pojedynczych cząsteczkach
Środki UE pomogły zrealizować jeden z ważnych celów nauki: dzięki zastosowaniu techniki noszącej nazwę bezstykowej mikroskopii sił atomowych (AFM) badaczom udało się rozróżnić wiązania chemiczne na poziomie pojedynczych cząsteczek. Odkrycie to oznacza, że teraz naukowcy na całym świecie będą mogli badać cząsteczki i atomy w najmniejszej skali. Może ono także przydać się w kontekście badań nad urządzeniami grafenowymi, prowadzonych przez przemysł i naukowców pod kątem różnych zastosowań, takich jak wysokoprzepustowa komunikacja bezprzewodowa czy wyświetlacze elektroniczne. Badania te przeprowadzono w ramach kilku europejskich projektów i organizacji: ARTIST, HERODOT, CEMAS, Hiszpańskiego Ministerstwa Gospodarki i Konkurencyjności oraz Regionalnego Rządu Galicji. Wyniki prac opublikowano w najnowszym numerze magazynu Science. Leo Gross, naukowiec z IBM, objaśnia odkrycie: "Znaleźliśmy dwa różne mechanizmy kontrastowe pozwalające rozróżniać wiązania. Pierwszy z nich wykorzystuje małe różnice w oddziaływaniach mierzonych ponad wiązaniami. Spodziewaliśmy się, że tego rodzaju kontrast istnieje, ale trudno go było wykryć", mówi. "Drugi mechanizm był prawdziwą niespodzianką: W pomiarach AFM wiązania miały różne długości. Przy pomocy obliczeń ab initio odkryliśmy, że kontrast ten powodowany jest przez przechylenie cząsteczki tlenku węgla na końcu ostrza". Naukowcy zobrazowali porządek i długość wiązań węgiel-węgiel w C60, po angielsku zwany także "buckyball" ze względu na podobieństwo do piłki futbolowej, oraz dwa płaskie wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (PAH), przypominające małe płatki grafenu. Pierwsze fulereny odkryto w 1985 r., nadając im nazwę na cześć kopuł geodezyjnych Buckminstera. Syntezy PAH dokonano w Centro de Investigacion en Quimica Bioloxica e Materiais Moleculares (CIQUS) na Universidade de Santiago de Compostela (Hiszpania) oraz Centre national de la recherche scientifique (CNRS) w Tuluzie (Francja). Nie wszystkie wiązania są jednak takie same. Poszczególne wiązania między atomami węgla różnią się nieznacznie pod względem długości i siły. Wszystkie ważne właściwości chemiczne, elektroniczne i optyczne takich cząsteczek związane są z różnicami wiązań w wielopierścieniowych węglowodorach aromatycznych. Teraz po raz pierwszy udało się zaobserwować te różnice zarówno dla pojedynczych cząsteczek, jak i wiązań. Odkrycie to oznacza pogłębienie podstawowej wiedzy na temat pojedynczych cząsteczek, co jest istotne dla możliwości prowadzenia badań nad nowymi urządzeniami elektronicznymi, organicznymi ogniwami słonecznymi oraz organicznymi diodami LED. W szczególności można by badać rozluźnianie wiązań wokół uszkodzonych obszarów grafenu, a także zmiany wiązań w reakcjach chemicznych i w stanach wzbudzonych. Wcześniej zespołowi udało się dokonać obrazowania struktury chemicznej cząsteczki, ale nie subtelnych różnic między wiązaniami. Rozróżnienie kolejności wiązań wymaga wykorzystania maksymalnych, bliskich granicznym wartości rozdzielczości, przy czym kontrast bywa tu często niewyraźny za sprawą innych zjawisk. Dlatego też naukowcy musieli wybrać i zsyntetyzować te cząsteczki, w przypadku których można było wykluczyć perturbacje tła. Aby potwierdzić wyniki badań doświadczalnych i zgromadzić dalsze informacje na temat natury mechanizmów kontrastowych, naukowcy przeprowadzili obliczenia z wykorzystaniem podstawowych reguł teorii funkcjonału gęstości. Obliczyli w ten sposób przechylenie cząsteczki CO na końcu ostrza, zachodzące podczas obrazowania. Zbadali też, w jaki sposób przechylenie to przekłada się na efekt powiększenia i wyostrzenia obrazów wiązań.Więcej informacji: Magazyn Science: http://www.sciencemag.org CEMAS: http://www.zurich.ibm.com/
Kraje
Szwajcaria, Hiszpania, Francja