Modellen en schematische diagrammen zijn krachtige hulpmiddelen voor het bestuderen van de fundamentele werking van de chemie, maar ze zijn niet genoeg voor Wilson Ho.

"Atomen, moleculen en de bindingen die ze bij elkaar houden - ik wil deze dingen zien zoals ze in de natuur verschijnen, " zegt Ho, UCI's Donald Bren hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde en scheikunde. "Deze verschijnselen staan ​​centraal in de scheikunde; het is belangrijk om ze direct in beeld te brengen in plaats van ze alleen te bestuderen aan de hand van tekeningen in schoolboeken."

hoi, die in 2000 naar de UCI kwam, heeft carrière gemaakt door te proberen intermoleculair gedrag te begrijpen. Hij wil weten "wat de aard van deze interactie is, wat er werkelijk gebeurt op het punt van binding en waardoor moleculen elkaar aantrekken om ingewikkelder te vormen, uitgebreide structuren?"

In de afgelopen maanden, hij en zijn onderzoeksgroep hebben belangrijke doorbraken bereikt in hun pogingen om deze tot nu toe onzichtbare processen te zien. Hun doel was om een ​​momentopname te maken van chemische bindingen met fluor, die een kolom op het periodiek systeem deelt met andere zogenaamde halogeenelementen, inclusief chloor, broom en jodium.

Fluor wordt gebruikt in veel medicijnen en in polymeren die deel uitmaken van veel van de materialen die mensen dagelijks gebruiken. Maar, volgens Ho, zelfs fabrikanten die omgaan met moleculen die het element bevatten, weten niet hoe het interageert met aangrenzende verbindingen.

Met behulp van een unieke, handgemaakte microscoop, Ho en zijn afgestudeerde studenten slaagden erin om halogeenbindingen in de echte ruimte in beeld te brengen en rapporteerden hun bevindingen in Wetenschap deze zomer.

"Opvattingen die eerder door onze methode werden verkregen, hebben aangetoond dat veel chemische bindingen in de echte wereld vrij gelijkaardig zijn aan wat je in de literatuur ziet:in feite, atomen met lijnen die ze verbinden, " Zegt Ho. "Maar het patroon van de fluor-halogeenbinding - een soort pinwheel-vorm - was nogal verrassend, zeker anders dan alles wat je op een vel papier zou tekenen."

De ervaren wetenschapper zegt dat deze onderzoekslijn een evolutie heeft veroorzaakt in zijn denken over chemische bindingen, die zijn ingedeeld onder posten als waterstof, covalent, ionisch en halogeen, evenals zwakke bindingen die bekend staan ​​​​als Van der Waals-interacties die Ho vergelijkt met de kleverige voetstappen van een gekko.

"De diepere implicatie van ons werk is dat al deze verschillende soorten chemische bindingen kunnen worden beschreven in een meer uniform beeld, "zegt hij. "Met behulp van ons apparaat en onze techniek, we kunnen zien dat sterke covalente bindingen en zwakkere halogeenbindingen erg op elkaar lijken; er is gewoon een verschil in sterkte en de mate van elektronendeling."

De sleutel tot alle ontdekkingen uit Ho's lab is een instrument dat een scanning tunneling microscoop wordt genoemd. Beslaat drie niveaus in de kelder van Reines Hall, de kolossale conglomeraat van roestvrijstalen kamers en pijpen - veel ervan bedekt met gekreukte folie - is verbonden door kilometerslange draden en kabels en omringd door banken van computers en andere elektronische apparatuur.

Ontworpen en gebouwd door Ho en afgestudeerde studenten, het apparaat zweeft op een set van vier schokabsorberende rongen om verstoring door externe trillingen tot een minimum te beperken. Deze microscoop gebruikt geen optische lens. In plaats daarvan, het beeldt moleculen af ​​met een elektronen-emitterende punt, of naald, gepositioneerd op slechts 5 angstrom van onderwerpen. (In vergelijking, een waterstofatoom is een halve angstrom.) De naald is stabiel tot een duizendste van een angstrom.

Een andere sleutel tot de stabiliteit en precisie van het instrument is de bedrijfstemperatuur, 600 millikelvin. Absolute nulpunt, de laagste theoretische temperatuur, is slechts zes tiende kelvin kouder.

"Dit geeft ons een zeer goede energieresolutie, waarmee we de kleinste elektrostatische rimpels in en tussen de moleculen die we bestuderen nauwkeurig kunnen meten, Ho zegt. "We kunnen beelden verkrijgen door variaties in de trillingsintensiteit van ons sondemolecuul te volgen."

Om op die temperatuur te komen, hij tapt uit zijn eigen voorraad vloeibaar helium, die hij recyclet in een andere fabriek in Reines Hall, ook ontworpen en gebouwd door zijn team. "We bouwen graag onze eigen instrumenten, " zegt Ho. "Het zorgt voor een goede opleiding voor de studenten. Als ze hier weggaan, ze kunnen terugvallen op al die ervaring bij het oplossen van problemen en het maken van apparaten. Dat doen niet veel plaatsen."

Een zo'n afgestudeerde student, Gregory Czap, heeft zijn stempel op de microscoop gedrukt door in elkaar grijpende apparaten uit te vinden waarmee onderzoekers snel van experiment kunnen wisselen.

"Ik vind het vrij fenomenaal om met zo'n machine aan de slag te gaan, "zegt hij. "Het geeft je de mogelijkheid om naar afzonderlijke atomen en bindingen te kijken. Dat soort dingen, niet zo lang geleden, mensen dachten niet dat je ooit in staat zou zijn om echt te zien. En meer dan ernaar te kijken, je kunt met ze spelen. Je kunt dingen doen zoals verbreken en banden vormen. Je kunt moleculen herpositioneren om te zien hoe ze met elkaar omgaan. Het is gewoon geweldig."