Onderzoekers van de Universiteit van Regensburg en de Technische Universiteit van Graz hebben aangetoond dat waterstofatomen aan de zijkanten van moleculen die op een oppervlak liggen direct zichtbaar zijn. De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences , beschrijft dat door naast de moleculen te kijken, de positie en aanwezigheid van de voorheen verborgen waterstofatomen onthuld konden worden.

Waterstofatomen die zich aan de randen van moleculen bevinden, beïnvloeden veel eigenschappen van die moleculen, inclusief de manier waarop ze omgaan met andere moleculen. Waterstofbruggen zijn een van de meest voorkomende vormen van moleculaire interacties, waarbij een positief geladen waterstofatoom aan de zijkant van een molecuul wordt aangetrokken door een negatief atoom in een naburig molecuul.

Waterstofbruggen zijn van groot belang op het gebied van on-surface synthese, waarbij moleculen eerst op een oppervlak worden geabsorbeerd en vervolgens met elkaar reageren. Maar ondanks hun betekenis zijn directe waarnemingen van deze kleine maar belangrijke atomen ongrijpbaar gebleken.

Om de zijkanten van moleculen zichtbaar te maken, gebruikten onderzoekers een gespecialiseerde techniek afgeleid van atomaire krachtmicroscopie (AFM).

Bij AFM wordt een scherpe punt dicht bij een oppervlak gebracht en worden de krachten op de punt geregistreerd terwijl deze over het oppervlak beweegt. Eerdere AFM-experimenten concentreerden zich op de verticale component van kracht en brachten de waterstofatomen aan de zijkanten van moleculen niet aan het licht. Om deze beperking te overwinnen, gebruikten onderzoekers laterale krachtmicroscopie (LFM), die de horizontale krachten meet die op de AFM-tip worden uitgeoefend.

PD Dr. Alfred J. Weymouth van de werkgroep van Prof. Dr. Franz J. Gießibl, houder van de leerstoel Quantum Nanoscience aan de UR, is een vooraanstaand expert op het gebied van LFM. Hij benadrukte de unieke mogelijkheden ervan door te stellen:"Ondanks het feit dat het niet op grote schaal wordt gebruikt, biedt LFM verschillende voordelen ten opzichte van conventionele AFM, waaronder uitzonderlijke afstandsgevoeligheid, waardoor fysieke parameters uit één enkel beeld kunnen worden geëxtraheerd, en de mogelijkheid om wrijvingskrachten te kwantificeren. door een enkel atoom over chemische bindingen te laten glijden."

Door de laterale kracht te meten die op de AFM-tip aan de randen van de moleculen werd uitgeoefend, konden Dr. Weymouth en collega's de waterstofatomen direct visualiseren. De onbewerkte gegevens van de experimenten kunnen rechtstreeks worden vergeleken met theoretische berekeningen, waardoor een dieper inzicht ontstaat in de atomaire interacties die een rol spelen.

Hoewel atoom-atoominteracties vaak worden gemodelleerd met behulp van vereenvoudigde afstandsafhankelijke functies, bracht het vergelijken van deze modellen met de experimentele gegevens de beperkingen van deze benaderingen aan het licht, wat het belang benadrukt van het opnemen van aanvullende factoren in deze theoretische raamwerken. Dit inzicht is waardevol voor zowel AFM- als LFM-onderzoeken, omdat het onderzoekers in staat stelt hun begrip van fundamentele atomaire interacties te verfijnen.

Het vermogen om waterstofatomen direct waar te nemen markeert een belangrijke doorbraak voor onderzoekers en biedt een krachtig hulpmiddel om de ingewikkelde mechanismen en tussenstappen van chemische reacties aan het oppervlak op te helderen. Deze vooruitgang biedt een enorm potentieel voor het versnellen van de vooruitgang op verschillende gebieden, waaronder oppervlaktekatalyse en moleculaire interacties in het menselijk lichaam.

De ontwikkeling van deze nieuwe techniek betekent een belangrijke stap voorwaarts in ons begrip van de microscopische wereld, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor onderzoek en innovatie. Door het gedrag van waterstofatomen rechtstreeks te visualiseren, kunnen onderzoekers dieper inzicht krijgen in de fundamentele processen die de interacties van moleculen bepalen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor transformatieve vooruitgang op verschillende gebieden.

Meer informatie: Shinjae Nam et al., Onderzoek naar interacties in het vlak naast een geadsorbeerd molecuul met laterale krachtmicroscopie, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2311059120

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Universiteit van Regensburg