Voor natuurkundige Percy Zahl, het optimaliseren en voorbereiden van een contactloze atoomkrachtmicroscoop (nc-AFM) om de chemische structuur van een enkel molecuul direct te visualiseren, lijkt een beetje op het spelen van een virtual reality-videogame. Het proces vereist het navigeren en manipuleren van de punt van het instrument over de wereld van atomen en moleculen, uiteindelijk wat op de juiste locatie en op de juiste manier oppikken. Als deze uitdagingen met succes worden voltooid, je gaat door naar het hoogste niveau, het verkrijgen van afbeeldingen die precies laten zien waar individuele atomen zich bevinden en hoe ze chemisch zijn gebonden aan andere atomen. Maar neem een ​​verkeerde beweging, en het is game over. Tijd om opnieuw te beginnen.

"De nc-AFM heeft een zeer gevoelige punt met één molecuul die scant over een zorgvuldig voorbereid schoon eenkristaloppervlak op een constante hoogte en de krachten "voelt" tussen het puntmolecuul en enkele atomen en bindingen van moleculen die op dit schone oppervlak zijn geplaatst , " legde Zahl uit, die deel uitmaakt van de Interface Science and Catalysis Group van het Centre for Functional Nanomaterials (CFN), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility in Brookhaven National Laboratory. "Het kan een uur of dagen duren voordat deze sensor goed werkt. Je kunt niet zomaar op een knop drukken; fijnafstemming is vereist. Maar al deze moeite is zeker de moeite waard als je de beelden ziet verschijnen als moleculen in een scheikundeboek. "

Een geschiedenis van chemische structuurbepaling

Sinds het begin van het vakgebied van de chemie, wetenschappers hebben de elementaire samenstelling van moleculen kunnen bepalen. Wat moeilijker was, is om hun chemische structuren te achterhalen, of de bijzondere rangschikking van atomen in de ruimte. Het kennen van de chemische structuur is belangrijk omdat het de reactiviteiten en andere eigenschappen van het molecuul beïnvloedt.

Bijvoorbeeld, Michael Faraday isoleerde in 1825 benzeen uit een oliegasresidu. Al snel werd vastgesteld dat benzeen is samengesteld uit zes waterstof- en zes koolstofatomen, maar de chemische structuur bleef controversieel tot 1865, toen Friedrich August Kekulé een cyclische structuur voorstelde. Echter, zijn voorstel was niet gebaseerd op een directe waarneming, maar eerder op logische deductie van het aantal isomeren (verbindingen met dezelfde chemische formule maar met verschillende chemische structuren) van benzeen. De juiste symmetrische hexagonale structuur van benzeen werd uiteindelijk onthuld door het diffractiepatroon dat Kathleen Lonsdale in 1929 via röntgenkristallografie had verkregen. In 1931 werd Erich Huckel gebruikte de kwantumtheorie om de oorsprong van "aromaticiteit" in benzeen te verklaren. Aromaticiteit is een eigenschap van platte ringvormige moleculen waarin elektronen worden gedeeld tussen atomen. Door deze unieke opstelling van elektronen, aromatische verbindingen hebben een bijzondere stabiliteit (lage reactiviteit).

Vandaag, Röntgenkristallografie blijft een gangbare techniek voor het bepalen van chemische structuren, samen met nucleaire magnetische resonantie spectroscopie. Echter, beide technieken vereisen kristallen of relatief zuivere monsters, en chemische structuurmodellen moeten worden afgeleid door de resulterende diffractiepatronen of spectra te analyseren.

Het allereerste werkelijke beeld van een chemische structuur werd pas tien jaar geleden verkregen. In 2009, wetenschappers van IBM Research-Zurich Lab in Zwitserland gebruikten nc-AFM om de atomaire ruggengraat van een individueel pentaceenmolecuul op te lossen, het zien van de vijf gefuseerde benzeenringen en zelfs de koolstof-waterstofbindingen. Deze doorbraak werd mogelijk gemaakt door een geschikt molecuul voor het uiteinde van de punt te kiezen - een molecuul dat heel dicht bij het oppervlak van pentaceen kon komen zonder ermee te reageren of eraan te binden. Het vereiste ook geoptimaliseerde sensoruitleeselektronica bij cryogene temperaturen om kleine frequentieverschuivingen in de sondeoscillatie (die verband houden met de kracht) te meten met behoud van mechanische en thermische stabiliteit door middel van trillingsdempende opstellingen, ultrahoge vacuümkamers, en lage temperatuur koelsystemen.

"Lage-temperatuur nc-AFM is de enige methode die de chemische structuur van een enkel molecuul direct in beeld kan brengen, "zei Zahl. "Met nc-AFM, je kunt de posities van individuele atomen en de rangschikking van chemische bindingen visualiseren, die de reactiviteit van het molecuul beïnvloeden."

Echter, momenteel zijn er nog enkele vereisten voor moleculen om geschikt te zijn voor nc-AFM-beeldvorming. Moleculen moeten voornamelijk vlak (plat) zijn, omdat het scannen op het oppervlak plaatsvindt en dus niet geschikt is voor grote driedimensionale (3D) structuren zoals eiwitten. In aanvulling, vanwege de trage aard van het scannen, per experiment kunnen slechts een paar honderd moleculen praktisch onderzocht worden. Zahl merkt op dat deze beperking in de toekomst kan worden overwonnen door kunstmatige intelligentie, die de weg zou effenen naar geautomatiseerde scanning probe microscopie.

Volgens Zahl, hoewel nc-AFM sindsdien door enkele groepen over de hele wereld is toegepast, het is niet wijdverbreid, vooral in de Verenigde Staten.

"De techniek is nog relatief nieuw en er is een lange leercurve in het verwerven van op CO-tip gebaseerde moleculaire structuren, " zei Zahl. "Er is veel ervaring nodig met scanning probe microscopie, evenals geduld."

Een uniek vermogen en expertise

De nc-AFM bij de CFN vertegenwoordigt een van de weinigen in dit land. In de afgelopen jaren, Zahl heeft het instrument geüpgraded en aangepast, met name met de open-source software en hardware, GXSM (voor Gnome X Scanning Microscopie). Zahl ontwikkelt al meer dan twee decennia GXSM. Een realtime signaalverwerkingssysteem en software registreren continu de bedrijfsomstandigheden en passen automatisch de puntpositie aan om ongewenste botsingen te voorkomen wanneer het instrument wordt gebruikt in een AFM-specifieke scanmodus om krachten over moleculen te registreren. Omdat Zahl de software zelf schreef, hij kan nieuwe beeldvormings- of bedrijfsmodi voor nieuwe metingen programmeren en implementeren en functies toevoegen om operators te helpen de atomaire wereld beter te verkennen.

Bijvoorbeeld, onlangs heeft Zahl een aangepaste "slicing" -modus toegepast om de 3D-geometrische configuratie te bepalen waarin een enkel molecuul dibenzothiopeen (DBT) - een zwavelhoudend aromatisch molecuul dat vaak wordt aangetroffen in aardolie - adsorbeert op een gouden oppervlak. Het DBT-molecuul is niet helemaal vlak, maar eerder schuin gekanteld, dus combineerde hij een reeks krachtbeelden (plakjes) om een ​​topografisch-achtige weergave te maken van de hele structuur van het molecuul.

"In deze modus obstakels zoals uitstekende atomen worden automatisch vermeden, "zei Zahl. "Dit vermogen is belangrijk, aangezien de krachtmetingen idealiter in één vast vlak worden uitgevoerd, met de noodzaak om heel dicht bij de atomen te zijn om de afstotende krachten te voelen en uiteindelijk om gedetailleerd beeldcontrast te bereiken. Wanneer delen uit het molecuulvlak steken, ze zullen waarschijnlijk een negatieve invloed hebben op de beeldkwaliteit."

Deze beeldvorming van DBT was onderdeel van een samenwerking met Yunlong Zhang, een fysisch organisch chemicus bij ExxonMobil Research and Engineering Corporate Strategic Research in New Jersey. Zhang ontmoette Zahl twee jaar geleden op een conferentie en realiseerde zich dat de capaciteiten en expertise in nc-AFM bij de CFN een groot potentieel zouden hebben voor zijn onderzoek naar aardoliechemie.

Zahl en Zhang gebruikten nc-AFM om de chemische structuur van niet alleen DBT in beeld te brengen, maar ook van twee stikstofbevattende aromatische moleculen - carbazol (CBZ) en acridine (ACR) - die veel worden waargenomen in aardolie. Bij het analyseren van de beelden, ze ontwikkelden een reeks sjablonen met gemeenschappelijke kenmerken in de ringvormige moleculen die kunnen worden gebruikt om zwavel- en stikstofatomen te vinden en ze te onderscheiden van koolstofatomen.

Aardolie:een complex mengsel

De chemische samenstelling van aardolie varieert sterk, afhankelijk van waar en hoe het is gevormd, maar over het algemeen bevat het voornamelijk koolstof en waterstof (koolwaterstoffen) en kleinere hoeveelheden andere elementen, inclusief zwavel en stikstof. Tijdens de verbranding, wanneer de brandstof is verbrand, deze "heteroatomen" produceren zwavel- en stikstofoxiden, die bijdragen aan de vorming van zure regen en smog, zowel luchtverontreinigende stoffen die schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid als voor het milieu. Heteroatomen kunnen ook de brandstofstabiliteit verminderen en motoronderdelen aantasten. Hoewel er raffinageprocessen bestaan, niet alle zwavel en stikstof wordt verwijderd. Het identificeren van de meest voorkomende structuren van onzuivere moleculen die stikstof- en zwavelatomen bevatten, zou kunnen leiden tot geoptimaliseerde raffinageprocessen voor het produceren van schonere en efficiëntere brandstoffen.

"Ons eerdere onderzoek met de IBM-groep in Zürich naar aardolie-asfaltenen en zware oliemengsels gaf de eerste "kijk" in talrijke structuren in aardolie, "zei Zhang. "Echter, er zijn meer systemische studies nodig, vooral over de aanwezigheid van heteroatomen en hun precieze locaties binnen aromatische koolwaterstoffen om de toepassing van deze nieuwe techniek te verbreden om complexe moleculaire structuren in aardolie te identificeren."

Om de atomen en bindingen in DBT in beeld te brengen, CBZ, en ACR, de wetenschappers bereidden de punt van de nc-AFM voor met een enkel kristal van goud aan de top en een enkel molecuul koolmonoxide (CO) op het eindpunt (hetzelfde soort molecuul dat werd gebruikt in het oorspronkelijke IBM-experiment). Het metaalkristal zorgt voor een atomair schone en vlakke ondersteuning van waaruit het CO-molecuul kan worden opgepikt.

Na het "functionaliseren" van de tip, ze deponeerden een paar van elk van de moleculen (stofhoeveelheid) op een gouden oppervlak in de nc-AFM onder ultrahoog vacuüm bij kamertemperatuur via sublimatie. Tijdens sublimatie, de moleculen gaan direct van een vaste naar gasfase.

Hoewel de beelden die ze verkregen hebben sterk lijken op tekeningen van chemische structuren, aan deze beelden kun je niet direct zien of er sprake is van een stikstof, zwavel, of koolstofatoom dat op een bepaalde plaats aanwezig is. Er is enige inputkennis nodig om deze informatie af te leiden.

"Als uitgangspunt we hebben kleine bekende moleculen in beeld gebracht met typische bouwstenen die worden gevonden in grotere polycyclische aromatische koolwaterstoffen - in dit geval in aardolie, " legde Zahl uit. "Ons idee was om te zien hoe de basisbouwstenen van deze chemische structuren eruit zien en ze te gebruiken om een ​​reeks sjablonen te maken om ze te vinden in grotere onbekende moleculaire mengsels."

Bijvoorbeeld, voor zwavel- en stikstofhoudende moleculen in aardolie, zwavel komt alleen voor in ringstructuren met vijf atomen (vijfhoekige ringstructuur), terwijl stikstof aanwezig kan zijn in ringen met vijf of zes (hexagonale ringstructuur) atomen. Naast deze bindingsgeometrie, de relatieve "grootte, " of atomaire straal, van de elementen kan helpen ze te onderscheiden. Zwavel is relatief groter dan stikstof en koolstof, en stikstof is iets kleiner dan koolstof. Het is deze maat, of "hoogte, ’ waar de AFM extreem gevoelig voor is.

"Simpel gezegd, de kracht die de AFM registreert in zeer dichte nabijheid van een atoom heeft betrekking op de afstand en daarmee op de grootte van dat atoom; als de AFM scant over een molecuul op een vaste hoogte, grotere atomen steken meer uit het vlak, " legde Zahl uit. "Daarom, hoe groter het atoom in een molecuul, hoe groter de kracht die de AFM registreert naarmate het dichter bij zijn atomaire schaal komt, en de afstoting neemt dramatisch toe. Dat is de reden waarom zwavel in de afbeeldingen verschijnt als een heldere stip, terwijl stikstof een hint zwakker lijkt."

Zahl en Zhang vergeleken vervolgens hun experimentele afbeeldingen met computergesimuleerde afbeeldingen die ze verkregen met behulp van de mechanische probe-deeltjessimulatiemethode. Deze methode simuleert de werkelijke krachten die inwerken op het CO-molecuul aan het uiteinde terwijl het over moleculen scant en als reactie buigt. Ze voerden ook theoretische berekeningen uit om te bepalen hoe de elektrostatische potentiaal (ladingsverdeling) van de moleculen de gemeten kracht beïnvloedt en zich verhoudt tot hun uiterlijk in de nc-AFM-beelden.

"We gebruikten de dichtheidsfunctionaaltheorie om te bestuderen hoe de krachten die door het CO-probemolecuul worden gevoeld zich gedragen in de aanwezigheid van de ladingsomgeving die de moleculen omringt, " zei Zahl. "We moeten weten hoe de elektronen worden verdeeld om de atomaire kracht en het bindingscontrastmechanisme te begrijpen. Met deze inzichten kunnen we zelfs enkele of dubbele bindingen tussen atomen toewijzen door beelddetails te analyseren."

Vooruit gaan, Zahl zal doorgaan met het ontwikkelen en verbeteren van nc-AFM-beeldvormingsmodi en gerelateerde technologieën om vele soorten interessante, onbekend, of nieuwe moleculen in samenwerking met verschillende gebruikers. De belangrijkste kandidaat-moleculen die van belang zijn, zijn die met grote magnetische momenten en speciale spin-eigenschappen voor kwantumtoepassingen en nieuwe grafeenachtige (grafeen is een één-atoom dik vel koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster) materialen met buitengewone elektronische eigenschappen.

"De CFN heeft unieke mogelijkheden en expertise in nc-AFM die kan worden toegepast op een breed scala aan moleculen, "zei Zahl. "In de komende jaren, Ik geloof dat kunstmatige intelligentie een grote impact zal hebben op het veld door ons te helpen de microscoop autonoom te bedienen om de meest tijdrovende, moeizaam, en foutgevoelige delen van experimenten. Met deze speciale kracht, onze kansen om het "spel" te winnen zullen veel worden verbeterd."