Не так давно учёным удалось запечатлеть квантовые взаимодействия в атоме водорода и получить изображение электрона. В сентябре 2012 года команда исследователей из Европы научилась различать химические связи внутри молекулы. Сегодня их коллеги из США пошли несколько дальше.
Американские химики смогли проследить за молекулярной реакцией в атомных структурах при помощи фотографий, сделанных очень мощным микроскопом.
Феликс Фишер (Felix Fischer), химик из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory), изучал наноструктуры углеродного материала графена. Он, как известно, по строению похож на сотовый мёд (в вершине каждого шестиугольника расположен атом углерода).
Фишер и его коллеги научились создавать очень точные изображения отдельных атомов углерода и межатомных связей. "Мы не рассчитывали получить такие фотографии, просто хотели изучить подробнее молекулярные реакции. Но, чтобы рассмотреть, что происходить на атомном уровне, нам приходилось использовать крайне чувствительный атомно-силовой микроскоп", — рассказывает Фишер.
Исследователи говорят, что фотографии получились поразительными. Они даже не ожидали увидеть на "снимках" результаты химических реакций, а визуальное подтверждение стало для учёных настоящим сюрпризом. "До нас ещё никому не удавалось получить такие точные изображения отдельных молекул и их структур до и сразу после реакции", — говорит Фишер.
Из графеновых наноструктур можно создавать транзисторы, логические вентили и другие ключевые элементы современной электроники. Но для того, чтобы этот материал находил практическое применение, необходимо производить графен с идеальной структурой — до одного атома. Самый распространённый способ его получения на сегодняшний день состоит в механическом отшелушивании слоёв графита, что, конечно же, не подходит для дальнейшего практического применения материала.
Фишер и его коллеги предложили другой метод. Они создавали графеновые наноструктуры послойно, конвертируя линейные цепочки из атомов углерода в шестиугольные соты, полициклические ароматические углеводороды. Для этого они использовали реакцию, изначально открытую их коллегой по исследовательскому центру Робертом Бергманом (Robert Bergman). В первую очередь необходимо было создать контролируемую реакцию.
"Более дюжины компонентов раствора могли быть продуктами реакции, поэтому получить точный результат было непросто. Поэтому мы взяли молекулу с олиго-ендииновой структурой, представляющей собой три бензольных кольца, соединённые атомами углерода, и поместили её на серебряную поверхность. Реакцию мы спровоцировали, увеличив температуру", — говорит Фишер.
Команда Фишера работала вместе с экспертом по микроскопии Майклом Кромми (Michael Crommie) из Беркли. Он помог улучшить качество изображений. Изначально, чтобы проследить за молекулярными реакциями, исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп, чувствительный к изменению электронных состояний на поверхности в несколько нанометров. Однако и этой технологии было недостаточно: разрешение картинки не позволяло разглядеть структуры в молекуле, площадь которой составляла всего один квадратный нанометр.
Затем учёные обратились к технологии, которая называется бесконтактная атомно-силовая микроскопия. Такой микроскоп "прощупывает" поверхность с помощью острой иглы. Игла движется по поверхности исследуемого объекта подобно тому, как игла фонографа проходит по желобкам пластинки.
"Продвигая иглу вперёд и назад, мы чувствуем, где на серебряной поверхности есть выступы и впадинки, образованные атомом. Это очень напоминает чтение книг для слепых", — объясняет Фишер.
Иголка атомно-силового микроскопа может почувствовать не только атом, но и межатомные связи, образованные в процессе взаимного обмена электронами. Можно различить одинарные, двойные и тройные межатомные связи. Учёные пишут в пресс-релизе, что полученная картина действительно очень похожа на рисунки из школьного учебника химии.
Структура межатомных соединений не так проста, как может показаться. Существует дюжина возможных сценариев, и первичная молекулярная реакция прошла совсем не так, как ожидал Фишер и его коллеги. В результате реакции появились две разные молекулы. Благодаря тому, что они находились на плоской серебряной поверхности, за этим нетрудно было проследить, однако эта же самая поверхность спровоцировала формирование необычной структуры.
Добавим, что изучение механизмов, лежащих в основе химических реакций, при помощи подобной методики поможет в будущем создать ключевые элементы новейшей электроники, которые будут отличаться высоким качеством и прочностью.
Результаты работы Фишера и его команды описаны в статье, опубликованной в журнале Science.
Также по теме:
Учёные впервые различили химические связи внутри молекулы
Физики впервые увидели танцы электронов в молекуле
Смоделирована химическая связь, которая может существовать только в космосе
Физики сделали снимок атома водорода
Физики впервые сфотографировали тень атома
Учёным удалось сфотографировать электрон
