Door licht te focussen tot de grootte van een atoom, wetenschappers van de Universiteit van Californië, Irvine heeft de eerste beelden gemaakt van de normale vibratiemodi van een molecuul - de interne bewegingen die de chemie van alle dingen aandrijven, inclusief de functie van levende cellen.

In een onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuur , onderzoekers van UCI's Center for Chemistry at the Space-Time Limit beschrijven hoe ze de atomair beëindigde zilveren punt van een scanning tunneling microscoop slechts ängstroms van zijn doelwit plaatsten:een op kobalt gebaseerd porfyrinemolecuul bevestigd aan een koperen platform. (Porfyrinen zijn van biologisch belang vanwege hun rol bij de ademhaling en fotosynthese.)

Het molecuul prikken met het licht opgesloten op het zilveratoom, het team dook in het kwantumregime tussen de kwetterende atomen van het molecuul, werd de eerste die trillingsspectra registreerde en observeerde hoe ladingen en stromen die atomen bij elkaar houden in bindingen worden bepaald door de moleculaire trillingen.

"Van structurele veranderingen in de chemie tot moleculaire signalering, alle dynamische processen in het leven hebben te maken met moleculaire trillingen, zonder welke alles zou worden bevroren, " zei co-auteur V. Ara Apkarian, CaSTL-directeur en UCI Distinguished Professor in de chemie. "We zijn ons al lang bewust van deze trillingen. Eeuwenlang, we hebben hun frequenties gemeten door middel van spectroscopie, maar nu pas hebben we kunnen zien wat er beweegt en hoe."

Co-auteur Joonhee Lee, CaSTL-onderzoeker, toegevoegd:"Tot op heden, moleculaire trillingen zijn picturaal uitgelegd met behulp van wiebelballen en verbindingsveren om atomen en bindingen weer te geven, respectievelijk. Nu kunnen we direct visualiseren hoe individuele atomen in een molecuul trillen. De afbeeldingen die we leveren, zullen in schoolboeken verschijnen om studenten te helpen het concept van vibrationele normale modi beter te begrijpen, die tot nu toe een theoretisch concept was geweest."

Om atomaire resolutie te bereiken, CaSTL-onderzoekers zetten hun experiment op in een omgeving met extreem hoog vacuüm en lage temperatuur (6 kelvin) om alle externe bewegingen te elimineren en plaatsten hun sonde met één atoom in de buurt van het beoogde molecuul, binnen een afstand kleiner dan de grootte van een atoom. Glazen lenzen zouden niet werken in dit soort microscopie, waarin kenmerken worden opgelost op een schaal die duizend keer kleiner is dan de golflengte van licht.

"De limiet van wat je kunt zien in standaardmicroscopie is de helft van de golflengte van licht, die in de orde van een halve micron is, waaraan de microscoop zijn naam ontleent, Apkarian zei. "De optische microscoop heeft een revolutie teweeggebracht in de cellulaire biologie omdat je hierdoor kunt observeren wat er in een cel gebeurt, maar een molecuul is een duizendste van de grootte van een cel."

In hun experiment hebben het team prikte en prikte in het op kobalt gebaseerde molecuul met een zilveratoom dat werd gezapt met laserlicht, het risico van agitatie van het doelwit. De CaSTL-wetenschappers verzachtten deze mogelijkheid door het monster op een koperen substraat te bevriezen. Het molecuul wordt afgeplat door binding aan het koper, zichzelf blootstellen aan de nauwe nadering van de punt van de scanning tunneling microscoop.

Door de zilveren punt op en neer te bewegen ten opzichte van het monster om een ​​afstand van ongeveer 2 ängstroms te behouden (1 ängstrom is gelijk aan een tien miljardste van een meter), de onderzoekers konden verschillen in frequenties op verschillende posities in het molecuul vastleggen. Ze beweren dat de ongelooflijke resolutie voortkomt uit kwantummechanische tunneling van plasmonen (elektronen die in wisselwerking staan ​​met licht), het tegengaan van het idee dat tunnelen het elektrische veld zou verminderen dat nodig is om het molecuul te exciteren.

"We hebben nu een microscoop die atomen kan oplossen, en we gebruiken het om in moleculen te kijken, wat een paar jaar geleden nog ondenkbaar was, " zei Apkarian. "De ruimtelijke resolutie van optische microscopie is nog een tandje hoger, en wat we op deze schaal zien, is echt verbazingwekkend."

Volgende, CaSTL-wetenschappers zullen hun metingen van elektrische velden in moleculen verder verfijnen, werken om te detecteren waar atomen ontbreken in moleculaire structuren, en gebruik kwantuminterferentieprincipes om nog fijnere details te karakteriseren.

"Dit door de National Science Foundation ondersteunde team bereikte een belangrijke mijlpaal door onmogelijke barrières te overwinnen om een ​​nieuw instrument te ontwikkelen om de individuele atomen van een molecuul in realtime en in de ruimte te 'zien', " zei Kelsey Cook, NSF chemie programmadirecteur. "Deze uitvinding zal leiden tot ongekende, transformationeel begrip van hoe moleculen reageren en cellen functioneren."