Gambar resolusi tinggi pertama kalinya dari sebuah molekul seperti istirahat dan reformasi ikatan kimia

Ketika Felix Fischer dari US Department of Lawrence Berkeley National Laboratory Energy (Berkeley Lab) berangkat untuk mengembangkan struktur nano yang terbuat dari graphene menggunakan pendekatan baru dikendalikan untuk reaksi kimia, hasil pertama adalah kejutan: gambar spektakuler atom karbon individu dan ikatan antara mereka

"Kami tidak berpikir tentang membuat gambar yang indah, reaksi sendiri adalah tujuan," kata Fischer, seorang ilmuwan staf di Berkeley Lab Bahan Ilmu Divisi (MSD) dan seorang profesor kimia di University of California, Berkeley. "Tapi untuk benar-benar melihat apa yang terjadi pada tingkat single-atom kami harus menggunakan unik sensitif mikroskop atom di laboratorium Michael Crommie. " Crommie adalah ilmuwan MSD dan profesor fisika di UC Berkeley.

Apa mikroskop menunjukkan para peneliti, kata Fischer, "sangat mengagumkan." Hasil spesifik reaksi yang tak terduga sendiri, tetapi bukti visual bahkan lebih. "Tidak ada yang pernah diambil langsung, satu-ikatan-diselesaikan gambar molekul individu, tepat sebelum dan segera setelah reaksi organik kompleks," kata Fischer.

Para peneliti melaporkan hasil mereka di 7 Juni 2013 edisi jurnal Sains , tersedia di muka pada Science Express .

Graphene struktur nano dari bawah ke atas

Graphene struktur nano dapat membentuk transistor, gerbang logika , dan elemen lain dari perangkat elektronik indah kecil, tetapi untuk menjadi praktis mereka akan harus diproduksi dengan presisi atom massa. Hit-or-miss, teknik top-down, seperti pengelupasan grafit atau unzip nanotube karbon, tidak dapat melakukan pekerjaan.

Fischer dan rekan-rekannya berangkat untuk insinyur struktur nano graphene dari bawah ke atas, dengan mengkonversi rantai linear atom karbon ke diperpanjang heksagonal lembar (hidrokarbon polyaromatic), menggunakan reaksi awalnya ditemukan oleh UC Berkeley profesor Robert Bergman. Persyaratan pertama adalah untuk melakukan reaksi dalam kondisi yang terkendali.

Asli reaktan molekul, beristirahat pada permukaan perak datar, yang dicitrakan baik sebelum dan sesudah reaksi, yang terjadi ketika suhu melebihi 90 derajat Celcius. Kedua produk akhir yang paling umum dari reaksi yang akan ditampilkan. The ... more

"Dalam larutan, senyawa lebih dari selusin bisa menjadi produk dari reaksi yang kita gunakan, dan karakterisasi hasilnya akan sulit," kata Fischer. "Alih-alih solusi 3D kami menciptakan sebuah sistem 2D Kami menempatkan molekul kami tolak." - Sebuah struktur yang disebut oligo-enediyne, terdiri dari tiga cincin benzena dihubungkan oleh atom karbon - "pada permukaan perak, dan kemudian diinduksi reaksi dengan pemanasan. "

Kelompok Fischer berkolaborasi dengan mikroskop ahli Crommie untuk merancang tampilan terbaik. Usaha pertama untuk melacak reaksi menggunakan scanning tunneling microscope (STM), yang indra negara elektronik ketika dibawa dalam beberapa billionths dari satu meter (nanometer) dari permukaan sampel. Tapi resolusi gambar dari molekul kecil dan produk-produknya - masing-masing hanya sekitar satu nanometer di - tidak cukup baik untuk andal mengidentifikasi struktur molekul.

Para kolaborator kemudian beralih ke teknik yang disebut noncontact mikroskop kekuatan atom (nc-AFM), yang probe permukaan dengan ujung yang tajam. Ujung secara mekanis dibelokkan oleh pasukan elektronik sangat dekat dengan sampel, bergerak seperti jarum gramofon dalam alur.

"Sebuah molekul karbon monoksida terserap ke ujung AFM 'jarum' meninggalkan atom oksigen tunggal sebagai probe," jelas Fischer. "Pindah ini 'atom jari' bolak-balik di atas permukaan perak adalah seperti membaca Braille, seolah-olah kita merasakan benjolan skala atom kecil yang dibuat oleh atom." Fischer mencatat bahwa resolusi tinggi AFM pencitraan pertama kali dilakukan oleh kelompok Gerhard Meyer di IBM Zurich, "tetapi di sini kita menggunakannya untuk memahami hasil dari reaksi kimia dasar."

The single-atom ujung noncontact mikroskop atom "merasa" perubahan dalam kekuatan pasukan elektronik ketika bergerak melintasi permukaan pada ketinggian konstan. Gerakan yang dihasilkan stylus yang terdeteksi oleh sinar laser untuk menghitung ... more

Single-atom bergerak jari nc-AFM bisa merasakan tidak hanya atom individu tetapi kekuatan yang mewakili ikatan yang dibentuk oleh elektron dibagi antara mereka. Gambar yang dihasilkan memiliki kemiripan yang mengejutkan untuk diagram dari buku atau di papan tulis, yang digunakan untuk mengajar kimia, kecuali di sini ada imajinasi diperlukan.

Kata Fischer, "Apa yang Anda lihat adalah apa yang Anda miliki -. Efek dari kekuatan elektron antara atom, dan bahkan orde ikatan Anda dapat membedakan ikatan tunggal, ganda, dan tiga."

Sebuah ikatan kimia tidak sesederhana konsep karena dapat muncul, namun. Dari puluhan kemungkinan, reaksi molekul mulai itu tidak menghasilkan apa yang secara intuitif tampaknya Fischer dan rekan-rekannya produk yang paling mungkin. Sebaliknya, reaksi menghasilkan dua molekul yang berbeda. Permukaan perak datar telah diberikan reaksi terlihat tetapi juga dibentuk dalam cara yang tak terduga.

The nc-AFM mikroskop memberikan konfirmasi visual yang mencolok dari mekanisme yang mendasari reaksi-reaksi kimia organik sintetik, dan hasil yang tidak diharapkan memperkuat janji ini metode baru yang kuat untuk membangun perangkat elektronik canggih nano dari bawah ke atas.

Sebelum struktur nano graphitic jauh lebih kompleks dapat hasil dari pendekatan ini unik, kata Fischer, "penemuan besar terbentang di depan."

PHYS.ORG