De lang gekoesterde droom van scheikundigen om de structurele dynamiek van een enkel molecuul te observeren, is nu mogelijk gemaakt. Enkele moleculen ter grootte van ongeveer 1 nanometer bestaan ​​in een vluchtige toestand onder omgevingsomstandigheden. Gezien het feit dat het coronavirus, dat ongeveer 100 nm groot is, zich snel in de lucht verspreidt, toont dit aan hoe moeilijk het is om een ​​enkel molecuul waar te nemen. Onlangs heeft een Koreaans onderzoeksteam een ​​betrouwbare manier ontdekt om afzonderlijke moleculen bij kamertemperatuur te observeren door ze af te dekken met een dunne isolerende laag, zoals een deken.

Het onderzoeksteam onder leiding van professor Kyoung-Duck Park en Ph.D. kandidaat Mingu Kang (Department of Physics) van POSTECH, in samenwerking met Professor Yung Doug Suh (Department of Chemistry) van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), heeft met succes de conformatie (rangschikking van de atomen in een molecuul) van individuele moleculen bij kamertemperatuur voor de eerste keer, waardoor de structurele dynamiek van een enkel molecuul nader wordt bekeken, de basiseenheid van alle zaken, inclusief de mens.

Diepgaande analyse met behulp van Raman-verstrooiingssignalen, bekend als de moleculaire "vingerafdruk", is moeilijk voor moleculen die aan lucht worden blootgesteld vanwege de continue chemische reacties en moleculaire bewegingen. Extreem lage temperatuur (beneden -200 °C) en vacuümcondities zijn op grote schaal gebruikt voor de studies met één molecuul om de bovengenoemde problemen te voorkomen, maar de configuraties hebben veel beperkingen in termen van technische problemen en omgevingscondities.

Om dit te verhelpen, plaatste het onderzoeksteam een ​​enkel molecuul op een substraat bedekt met een dunne film van goud en bedekte het met een zeer dunne laag aluminiumoxide (Al₂ O₃ ). Het molecuul dat tussen de goud- en aluminiumoxidelagen zit, is geïsoleerd van zijn omgeving, wat leidt tot onderdrukte chemische reacties en moleculaire bewegingen.

Het geïmmobiliseerde molecuul wordt vervolgens geobserveerd door de ultragevoelige tip-enhanscopy ontwikkeld door het onderzoeksteam. Het gebruik van de methode maakt de nauwkeurige detectie van zwakke optische signalen van een enkel molecuul mogelijk, dankzij het optische antenne-effect van de scherpe metalen punt. Hierdoor werd de resolutielimiet van een algemene optische microscopie (ongeveer 500 nm) overschreden om de conformationele heterogeniteit van enkelvoudige moleculen ter grootte van 1 nm duidelijk te onderscheiden en te verifiëren of ze verticaal staan ​​of horizontaal liggen.

Mingu Kang van POSTECH zegt dat "terwijl de James Webb Space Telescope het verste punt van het waarneembare universum kan observeren om de oorsprong van het universum te onthullen, onze nanoscopie voor enkelvoudige moleculen de kleinste eenheid observeert om de oorsprong van het leven te onthullen."

Het werk kan de moleculaire conformatie van eiwitten en DNA onthullen met een resolutie op nanometerniveau, wat leidt tot de identificatie van de oorzaak van ongeneeslijke ziekten en de ontwikkeling van behandelingen voor dergelijke aandoeningen. Bovendien kan het bedekken van een monster met een dunne laag gemakkelijk worden aangebracht bij kamertemperatuur of zelfs hogere temperaturen voor studies met één molecuul en hun toepassingen.

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Nature Communications . + Verder verkennen

Maken en verbreken van chemische bindingen in enkele 'nanoconfined' moleculen