(Phys.org)—IBM-wetenschappers zijn voor het eerst in staat geweest om de chemische bindingen in individuele moleculen te differentiëren met behulp van een techniek die bekend staat als contactloze atoomkrachtmicroscopie (AFM).

De resultaten stimuleren de verkenning van het gebruik van moleculen en atomen op de kleinste schaal en kunnen belangrijk zijn voor het bestuderen van grafeenapparaten, die momenteel door zowel de industrie als de academische wereld worden onderzocht voor toepassingen zoals draadloze communicatie met hoge bandbreedte en elektronische displays.

"We hebben twee verschillende contrastmechanismen gevonden om bindingen te onderscheiden. De eerste is gebaseerd op kleine verschillen in de kracht gemeten boven de bindingen. We hadden dit soort contrast verwacht, maar het was een uitdaging om op te lossen, " zei IBM-wetenschapper Leo Gross. "Het tweede contrastmechanisme kwam echt als een verrassing:obligaties verschenen met verschillende lengtes in AFM-metingen. Met behulp van ab initio berekeningen ontdekten we dat het kantelen van het koolmonoxidemolecuul aan de punttop de oorzaak is van dit contrast."

Zoals gemeld in het omslagverhaal van het 14 september nummer van Wetenschap tijdschrift, Wetenschappers van IBM Research hebben de bindingsvolgorde en lengte van individuele koolstofkoolstofbindingen in C . in beeld gebracht ₆₀ , ook bekend als een buckyball vanwege zijn voetbalvorm en twee vlakke polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's), die lijken op kleine vlokken grafeen. De PAK's werden gesynthetiseerd door Centro de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CIQUS) aan de Universidade de Santiago de Compostela en Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Toulouse.

De individuele bindingen tussen koolstofatomen in dergelijke moleculen verschillen subtiel in lengte en sterkte. Alle belangrijke chemische, elektronisch, en optische eigenschappen van dergelijke moleculen zijn gerelateerd aan de verschillen in bindingen in de polyaromatische systemen. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, deze verschillen werden gedetecteerd voor zowel individuele moleculen als bindingen. Dit kan het basisbegrip op het niveau van individuele moleculen vergroten, belangrijk voor onderzoek naar nieuwe elektronische apparaten, organische zonnecellen, en organische lichtemitterende diodes (OLED's). Vooral, de relaxatie van bindingen rond defecten in grafeen en de verandering van bindingen in chemische reacties en in aangeslagen toestanden zou mogelijk kunnen worden bestudeerd.

Net als in hun eerdere onderzoek " De chemische structuur van een molecuul opgelost door atoomkrachtmicroscopie "De IBM-wetenschappers gebruikten een atomic force microscope (AFM) met een tip die eindigt met een enkel koolmonoxide (CO) molecuul. Deze tip oscilleert met een kleine amplitude boven het monster om de krachten tussen de tip en het monster te meten, zoals een molecuul, om een ​​afbeelding te maken. De CO-terminatie van de punt werkt als een krachtig vergrootglas om de atomaire structuur van het molecuul te onthullen, inclusief zijn obligaties. Dit maakte het mogelijk om individuele bindingen te onderscheiden die slechts 3 picometers of 3 × 10- ¹² m, dat is ongeveer een honderdste van de diameter van een atoom.

In eerder onderzoek slaagde het team erin de chemische structuur van een molecuul in beeld te brengen, maar niet de subtiele verschillen van de banden. Discriminating bond order is close to the current resolution limit of the technique and often other effects obscure the contrast related to bond order. Therefore the scientists had to select and synthesize molecules in which perturbing background effects could be ruled out.

To corroborate the experimental findings and gain further insight into the exact nature of the contrast mechanisms, the team performed first-principles density functional theory calculations. Thereby they calculated the tilting of the CO molecule at the tip apex that occurs during imaging. They found how this tilting yields a magnification and the very sharp images of the bonds.