Chemische reacties produceren vaak rommelige mengsels van verschillende producten. Daarom besteden scheikundigen veel tijd aan het overhalen van hun reacties om selectiever te zijn om bepaalde doelmoleculen te maken. Nu heeft een internationaal team van onderzoekers dat soort selectiviteit bereikt door spanningspulsen af ​​te geven aan een enkel molecuul via een ongelooflijk scherpe punt.

"Het beheersen van het pad van een chemische reactie, afhankelijk van de gebruikte spanningspulsen, is ongekend en zeer aantrekkelijk voor chemici", zegt Shadi Fatayer van KAUST.

Het team gebruikte een instrument dat scanning tunneling microscopie (STM) en atomaire krachtmicroscopie (AFM) combineert. Beide technieken kunnen de posities van atomen binnen individuele moleculen in kaart brengen met behulp van een tip die slechts enkele atomen breed is. Maar de spanning kan ook worden gebruikt om bindingen binnen een molecuul te verbreken, waardoor mogelijk nieuwe bindingen kunnen worden gevormd.

"Tip-gecontroleerde reacties zijn eerder uitgevoerd, maar er was geen controle over het eindproduct", zegt Fatayer. "De selectiviteit is hier het belangrijkste element - afhankelijk van de polariteit en waarde van de spanningspulsen, kunnen we naar believen verschillende interne bindingen vormen en verbreken."

De onderzoekers gebruikten deze aanpak om tetrachloortetraceen te bestuderen, een molecuul dat vier chlooratomen bevat die zijn bevestigd aan een rij van vier zeshoekige ringen van koolstofatomen. Door een spanning van ongeveer 3,5 V aan te brengen, werden twee chlooratomen verwijderd en werd het molecuul opnieuw gerangschikt. Door de spanning te verhogen, werden de resterende chlooratomen verwijderd, wat leidde tot verdere herschikkingen die drie verschillende producten vormden.

Het eerste product heeft vier zeshoekige ringen die in een zigzagpatroon zijn gerangschikt; de tweede heeft een 10-ledige ring geflankeerd door twee zes-ledige ringen; en de derde bevat een vierledige ring, een achtledige ring en twee zesledige ringen.

Kleine spanningspulsen kunnen worden gebruikt om deze producten onderling om te zetten. Door de spanning te verfijnen, konden de onderzoekers controleren welke bindingen werden verbroken en welk herschikkingsproduct werd gevormd.

Door hun resultaten te combineren met theoretische berekeningen, toonden de onderzoekers aan dat de selectiviteit van de methode afhangt van het landschap van energietoestanden die de moleculen aannemen wanneer ze verschillende elektrische ladingen dragen, ook wel hun oxidatietoestand genoemd. Aangezien de initiële oxidatietoestand van een molecuul kan worden gecontroleerd door een elektrisch veld, zou deze benadering scheikundigen kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe chemische reacties en producten, zegt Fatayer. Dit onderzoek stond op de voorkant van Science .

Zijn groep ontwikkelt nu manieren om afzonderlijke elektronen aan individuele moleculen toe te voegen of te verwijderen, en om spanningspulsen toe te passen op specifieke delen van een molecuul om te bepalen welke chemische reactie plaatsvindt. + Verder verkennen

Chemici veranderen voor het eerst de bindingen tussen atomen in een enkel molecuul