De identificatie van nieuwe chemische bindingen is cruciaal voor het ontwerp van nieuwe materiaalstructuren. Een team onder leiding van Jani Kotakoski van de Universiteit van Wenen en Jannik Meyer van de Universiteit van Tübingen heeft onverwachte nieuwe configuraties van zuurstof en stikstof in grafeen gevonden. Directe afbeeldingen van de werkelijke atomen en de analyse van de bevindingen werden gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het leven zoals we het kennen is gebaseerd op slechts een handvol verschillende soorten atomen (elementen genoemd), waaronder koolstof, stikstof en zuurstof. Wat de complexiteit van het leven mogelijk maakt, is het vermogen van atomen om via chemische bindingen met elkaar te verbinden om grotere structuren te vormen. Door de mogelijke bindingsstructuren te kennen, kunnen wetenschappers zowel bouwstenen van het leven begrijpen als volledig nieuwe structuren ontwerpen.

Elk type atoom kan een karakteristiek aantal bindingen maken, afhankelijk van het aantal beschikbare elektronen. Overeenkomstig, scheikundeboeken zeggen dat koolstof tot vier bindingen kan hebben, stikstof tot drie, en zuurstof slechts één of twee. Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van Jani Kotakoski aan de Universiteit van Wenen en Jannik Meyer aan de Universiteit van Tübingen (voorheen Universiteit van Wenen), heeft de binding van een groot aantal stikstof- en zuurstofatomen bestudeerd met behulp van de modernste scanning transmissie-elektronenmicroscopie. Dit werd mogelijk gemaakt door de atomen in te bedden in het één atoom dikke koolstofmateriaal, grafeen.

Stikstof- en zuurstofatomen bleken zich in een rijke verscheidenheid aan configuraties aan hun buren te binden. Voor het grootste gedeelte, de studie bevestigde het leerboekbeeld, die nu kunnen worden weergegeven met directe afbeeldingen van werkelijke atomen:stikstofatomen waren gebonden aan twee of drie koolstofatomen, terwijl de meeste zuurstofatomen twee koolstofburen hadden. "Wat ons echt verbaasde, echter, was de extra aanwezigheid van structuren met zuurstof gebonden aan drie koolstofburen, " zegt Christoph Hofer, de hoofdauteur van de studie die onlangs werd gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie . "Tot nu, de uitzondering van zuurstof met drie bindingen was alleen bekend in een ongebruikelijk sterk geladen toestand, oxonium genoemd, die moeilijk te stabiliseren is, " legt hij uit. Dit in tegenstelling tot de huidige studie, waar de structuren opmerkelijk stabiel waren, waardoor hun beeldvorming in de microscoop mogelijk was. De studie onthulde ook een "gepaarde zuurstof" -configuratie waarbij twee zuurstofatomen aangrenzende plaatsen in het grafeenrooster bezetten maar geen binding creëren. Naast het geven van nieuwe inzichten in de bouwstenen van het leven, deze nieuwe verbindingsconfiguraties kunnen ook leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen.

Algemeen, de studie geeft een uitgebreid overzicht van de verschillende bindingsconfiguraties voor stikstof en zuurstof, direct geïllustreerd door middel van afbeeldingen van de individuele atomen. Terwijl het leerboekconcept van binding voor koolstof, stikstof en zuurstof werden grotendeels bevestigd, deze gemeenschappelijke elementen kunnen na decennia van studie natuurlijk nog steeds voor verrassingen zorgen.