Toen Felix Fischer van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse ministerie van Energie nanostructuren van grafeen wilde ontwikkelen met behulp van een nieuwe, gecontroleerde benadering van chemische reacties, het eerste resultaat was een verrassing:spectaculaire beelden van individuele koolstofatomen en de bindingen daartussen.

"We dachten niet aan het maken van mooie beelden; de reacties zelf waren het doel, " zegt Fischer, een stafwetenschapper in de Materials Sciences Division (MSD) van Berkeley Lab en een professor in de chemie aan de Universiteit van Californië, Berkeley. "Maar om echt te zien wat er op het niveau van één atoom gebeurde, moesten we een uniek gevoelige atoomkrachtmicroscoop gebruiken in het laboratorium van Michael Crommie." Crommie is een MSD-wetenschapper en een professor in de natuurkunde aan UC Berkeley.

Wat de microscoop de onderzoekers liet zien, zegt Fischer, "was geweldig." De specifieke uitkomsten van de reactie waren zelf onverwacht, maar het visuele bewijs was dat nog meer. "Niemand heeft ooit direct genomen, enkelvoudige binding-opgeloste afbeeldingen van individuele moleculen, vlak voor en onmiddellijk na een complexe organische reactie, ', zegt Fischer.

De onderzoekers rapporteren hun resultaten in de 7 juni, 2013 editie van het tijdschrift Wetenschap , vooraf beschikbaar op Wetenschap Express .

Grafeen nanostructuren van onder naar boven

Grafeen nanostructuren kunnen de transistors vormen, logische poorten, en andere elementen van prachtig kleine elektronische apparaten, maar om praktisch te worden, zullen ze massaal moeten worden geproduceerd met atomaire precisie. Raken of missen, top-down technieken, zoals exfoliërend grafiet of openritsende koolstofnanobuisjes, kan het werk niet doen.

Fischer en zijn collega's wilden van onderaf grafeen-nanostructuren ontwikkelen, door lineaire ketens van koolstofatomen om te zetten in verlengde hexagonale platen (polyaromatische koolwaterstoffen), met behulp van een reactie die oorspronkelijk werd ontdekt door UC Berkeley-professor Robert Bergman. De eerste vereiste was om de reacties onder gecontroleerde omstandigheden uit te voeren.

"In oplossing, meer dan een dozijn verbindingen kunnen de producten zijn van de reactie die we gebruikten, en het karakteriseren van de resultaten zou moeilijk zijn, " zegt Fischer. "In plaats van een 3D-oplossing hebben we een 2D-systeem gemaakt. We zetten ons startmolecuul" - een structuur genaamd oligo-eendiyne, samengesteld uit drie benzeenringen verbonden door koolstofatomen - "op een zilveren oppervlak, en vervolgens reacties veroorzaakte door het te verwarmen."

De groep van Fischer werkte samen met microscopie-expert Crommie om het best mogelijke zicht te ontwikkelen. De eerste poging om de reacties te volgen, maakte gebruik van een scanning tunneling microscope (STM), die elektronische toestanden detecteert wanneer deze binnen een paar miljardsten van een meter (nanometer) van het oppervlak van het monster worden gebracht. Maar de beeldresolutie van het kleine molecuul en zijn producten - elk slechts ongeveer een nanometer in doorsnee - was niet goed genoeg om de moleculaire structuren betrouwbaar te identificeren.

De medewerkers wendden zich vervolgens tot een techniek die contactloze atomaire krachtmicroscopie (nc-AFM) wordt genoemd, die met een scherpe punt het oppervlak aftast. De punt wordt mechanisch afgebogen door elektronische krachten zeer dicht bij het monster, bewegend als een grammofoonnaald in een groef.

"Een koolmonoxidemolecuul geadsorbeerd op de punt van de AFM 'naald' laat een enkel zuurstofatoom achter als sonde, Fischer legt uit. "Deze 'atoomvinger' heen en weer bewegen over het zilveren oppervlak is als het lezen van braille, alsof we de kleine bultjes op atomaire schaal voelen die door de atomen worden gemaakt." Fischer merkt op dat AFM-beeldvorming met hoge resolutie voor het eerst werd uitgevoerd door de groep van Gerhard Meyer bij IBM Zürich, "maar hier gebruiken we het om de resultaten van een fundamentele chemische reactie te begrijpen."

De bewegende vinger met één atoom van de nc-AFM kon niet alleen de individuele atomen voelen, maar ook de krachten die de bindingen vertegenwoordigen die werden gevormd door de elektronen die ertussen werden gedeeld. De resulterende afbeeldingen vertoonden een verrassende gelijkenis met diagrammen uit een leerboek of op het schoolbord, gebruikt om scheikunde te leren, behalve hier is geen fantasie vereist.

zegt Fischer, "Wat je ziet is wat je hebt - de effecten van de elektronenkrachten tussen de atomen, en zelfs de obligatieorder. Je kunt afzonderlijke, dubbele, en drievoudige bindingen."

Een chemische binding is niet zo eenvoudig als het lijkt, echter. Uit de tientallen mogelijkheden, de reactie van het startmolecuul leverde niet op wat Fischer en zijn collega's intuïtief de meest waarschijnlijke producten hadden geleken. In plaats daarvan, de reactie produceerde twee verschillende moleculen. Het platte zilveren oppervlak had de reactie zichtbaar gemaakt, maar ook op onverwachte manieren gevormd.

De nc-AFM-microscopie leverde een opvallende visuele bevestiging van de mechanismen die ten grondslag liggen aan deze synthetische organische chemische reacties, en de onverwachte resultaten versterkten de belofte van deze krachtige nieuwe methode om geavanceerde elektronische apparaten op nanoschaal van onderaf te bouwen.

Voordat veel complexere grafische nanostructuren het resultaat kunnen zijn van deze unieke benadering, zegt Fischer, "Grote ontdekkingen liggen in het verschiet."