(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van IBM konden voor het eerst meten hoe lading wordt verdeeld binnen een enkel molecuul. Deze prestatie zal fundamentele wetenschappelijke inzichten mogelijk maken in het schakelen van één molecuul en de vorming van bindingen tussen atomen en moleculen. Verder, het introduceert de mogelijkheid om de ladingsverdeling binnen functionele moleculaire structuren in beeld te brengen, die veelbelovend zijn voor toekomstige toepassingen zoals fotoconversie op zonne-energie, energie opslag, of computerapparatuur op moleculaire schaal.

Zoals gerapporteerd in het journaal Natuur Nanotechnologie , wetenschappers Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll en Gerhard Meyer van IBM Research - Zürich hebben bij lage temperaturen en in ultrahoog vacuüm direct de ladingsverdeling binnen een enkel naftalocyaninemolecuul in beeld gebracht met behulp van een speciaal soort atoomkrachtmicroscopie genaamd Kelvin-sondekrachtmicroscopie.

Terwijl scanning tunneling microscopie (STM) kan worden gebruikt voor het afbeelden van elektronenorbitalen van een molecuul, en atomaire krachtmicroscopie (AFM) kan worden gebruikt voor het oplossen van de moleculaire structuur, tot nu toe was het niet mogelijk om de ladingsverdeling binnen een enkel molecuul in beeld te brengen.

"Dit werk demonstreert een belangrijk nieuw vermogen om direct te kunnen meten hoe lading zich schikt binnen een individueel molecuul", zegt Michael Crommie, Professor voor de fysica van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Berkeley. "Het begrijpen van dit soort ladingsverdeling is van cruciaal belang om te begrijpen hoe moleculen in verschillende omgevingen werken. Ik verwacht dat deze techniek een bijzonder belangrijke toekomstige impact zal hebben op de vele gebieden waar natuurkunde, scheikunde, en biologie kruisen elkaar.”

In feite, de nieuwe techniek samen met STM en AFM geeft aanvullende informatie over het molecuul, verschillende interessante eigenschappen laten zien. Dit doet denken aan medische beeldvormingstechnieken zoals röntgen, MRI, of echografie, die aanvullende informatie opleveren over iemands anatomie en gezondheidstoestand.

"De techniek biedt een ander informatiekanaal dat ons begrip van de fysica op nanoschaal zal vergroten. Het zal nu mogelijk zijn om op het niveau van één molecuul te onderzoeken hoe lading wordt herverdeeld wanneer individuele chemische bindingen worden gevormd tussen atomen en moleculen op oppervlakken. Dit is essentieel omdat we apparaten op atomaire en moleculaire schaal willen bouwen, ", legt Fabian Mohn van de Physics of Nanoscale Systems-groep bij IBM Research - Zürich uit.

De techniek zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om ladingsscheiding en ladingstransport in zogenaamde ladingsoverdrachtscomplexen te bestuderen. Deze bestaan ​​uit twee of meer moleculen en zijn onderwerp van intensief onderzoek omdat ze veelbelovend zijn voor toepassingen zoals energieopslag of fotovoltaïsche energie.

Gerard Meijer, een senior IBM-wetenschapper die de STM- en AFM-onderzoeksactiviteiten bij IBM Research - Zürich leidt, voegt toe:"Het huidige werk markeert een belangrijke stap in onze langetermijninspanningen voor het beheersen en verkennen van moleculaire systemen op atomaire schaal met scanning-sondemicroscopie." uitstekend werk in het veld, Meyer ontving onlangs een Advanced Grant van de European Research Council. Deze prestigieuze beurzen ondersteunen "de allerbeste onderzoekers die aan de grenzen van de kennis werken" in Europa.*

Van dichterbij bekijken

Om de ladingsverdeling te meten, IBM-wetenschappers gebruikten een nakomeling van AFM genaamd Kelvin probe force microscopie (KPFM).

Wanneer een scansondetip boven een geleidend monster wordt geplaatst, een elektrisch veld wordt gegenereerd vanwege de verschillende elektrische potentialen van de punt en het monster. Met KPFM kan dit potentiaalverschil worden gemeten door een zodanige spanning aan te leggen dat het elektrische veld wordt gecompenseerd. Daarom, KPFM meet de elektrische lading in het molecuul niet direct, maar eerder het elektrische veld dat door deze lading wordt gegenereerd. Het veld is sterker boven gebieden van het molecuul die geladen zijn, wat leidt tot een groter KPFM-signaal. Verder, tegengesteld geladen gebieden geven een ander contrast omdat de richting van het elektrische veld omgekeerd is. Dit leidt tot de lichte en donkere gebieden in de microfoto (of rode en blauwe gebieden in gekleurde).

naftalocyanine, een kruisvormig symmetrisch organisch molecuul dat ook werd gebruikt in IBM's single-molecule logic switch**, bleek een ideale kandidaat voor dit onderzoek. Het bevat twee waterstofatomen die tegenover elkaar staan ​​in het midden van een molecuul van slechts twee nanometer groot. De waterstofatomen kunnen regelbaar worden geschakeld tussen twee verschillende configuraties door het aanleggen van een spanningspuls. Deze zogenaamde tautomerisatie beïnvloedt de ladingsverdeling in het molecuul, die zichzelf herverdeelt tussen tegenover elkaar liggende benen van de moleculen terwijl de waterstofatomen van locatie wisselen.

KPFM gebruiken, de wetenschappers slaagden erin om de verschillende ladingsverdelingen voor de twee staten in beeld te brengen. Om submoleculaire resolutie te bereiken, in de loop van het experiment was een hoge mate van thermische en mechanische stabiliteit en atomaire precisie van het instrument vereist, die enkele dagen duurde. Bovendien, het toevoegen van slechts een enkel koolmonoxidemolecuul aan de top van de punt verbeterde de resolutie enorm. In 2009, het team heeft al aangetoond dat deze wijziging van de punt hen in staat stelde om de "anatomie" - de chemische structuren - van moleculen met AFM op te lossen. De huidige experimentele bevindingen werden bevestigd door berekeningen van het eerste principe van de dichtheidsfunctionaaltheorie, uitgevoerd door Fabian Mohn samen met Nikolaj Moll van de Computational Sciences-groep bij IBM Research - Zürich.

De grenzen van nanowetenschap verleggen met scanning probe-technieken

“Met de opkomst van scanning probe microscopie en aanverwante technieken in de jaren tachtig, de deur naar de nanowereld werd wagenwijd opengeduwd, ” aldus het inleidende artikel in de eerste editie van Nature Nanotechnology in 2006***.

De STM en zijn nakomelingen de AFM zijn de twee werkpaarden van onderzoek op atomaire en moleculaire schaal. de STM, die werd uitgevonden door Gerd Binnig en Heinrich Rohrer bij IBM Research - Zürich in 1981, stelden wetenschappers voor het eerst in staat om individuele atomen op een oppervlak af te beelden. De revolutionaire microscoop, waarvoor de twee wetenschappers in 1986 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontvingen, heeft de grenzen van onze kennis verlegd door de eigenschappen van oppervlakken en moleculen of atomen die daarop zijn geadsorbeerd met atomaire resolutie te onthullen.

de STM, echter, is geen traditionele microscoop. In plaats van een direct beeld te tonen, het gebruikt een zeer scherpe punt - met slechts één of enkele atomen aan de top - om het oppervlak van een materiaal te scannen. Door de punt heel dicht bij het monsteroppervlak te brengen en een voorspanning toe te passen, een stroomstroom kan worden gemeten tussen de punt en het monster vanwege het kwantummechanische effect van elektronentunneling. Door deze tunnelstroom constant te houden en de verticale beweging van de punt over het oppervlak te registreren, is het mogelijk om de structuur van het oppervlak te bestuderen, atoom voor atoom. Bekijk videodemonstratie

De STM kan zelfs worden gebruikt om individuele atomen en moleculen te manipuleren. In 1989, IBM-wetenschapper Don Eigler gebruikte in een beroemd experiment zijn nieuw ontwikkelde lage-temperatuur-STM om 35 xenon-atomen te positioneren om "IBM" te spellen. Bekijk videodemonstratie

In 1985, de AFM is uitgevonden door Gerd Binnig. In plaats van een tunnelstroom te meten, de AFM gebruikt een scherpe punt die aan een cantilever is bevestigd om de kleine krachten tussen de punt en het monster te meten om een ​​afbeelding te maken. Bekijk videodemonstratie

Naarmate de STM en AFM zich ontwikkelden, hun capaciteiten en die van verwante scanningsondetechnieken hebben het vermogen van wetenschappers om een ​​grote verscheidenheid aan structuren en eigenschappen op atomaire schaal te verkennen aanzienlijk verbeterd. Ze bieden een verbazingwekkend potentieel voor het maken van prototypes van complexe functionele structuren en voor het afstemmen en bestuderen van hun elektronische en chemische eigenschappen op atomaire schaal, die essentieel zal zijn om nieuwe apparaten en systemen op nanoschaal te creëren die beter zullen presteren dan de huidige in de informatietechnologie, medicijn, milieutechnologieën, de energiesector en daarbuiten.