(Phys.org) — Wetenschappers van Rice University hebben ontdekt dat ze de bindingen tussen atomen in een molecuul kunnen regelen.

Het molecuul in kwestie is koolstof-60, ook bekend als de buckminsterfullereen en de buckyball, ontdekt in Rice in 1985. De wetenschappers onder leiding van Rice-fysici Yajing Li en Douglas Natelson ontdekten dat het mogelijk is om de bindingen tussen atomen te verzachten door een spanning aan te leggen en een elektrische stroom door een enkele buckyball te laten lopen.

De onderzoekers hebben hun ontdekking deze week gedetailleerd beschreven in de online Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Dit betekent niet dat we willekeurig de sterkte van materialen of iets dergelijks kunnen bepalen, " zei Natelson. "Dit is een heel specifiek geval, en zelfs hier was het een verrassing om dit te zien gebeuren.

"Maar in het algemeen, als we de ladingsverdeling op moleculen kunnen manipuleren, we kunnen hun trillingen beïnvloeden. We kunnen beginnen te denken, in de toekomst, over het beheersen van dingen op een betere manier."

Het effect treedt op wanneer een buckyball zich hecht aan een gouden oppervlak in de optische nano-antenne die wordt gebruikt om de effecten van een elektrische stroom op intermoleculaire bindingen te meten via een techniek die Raman-spectroscopie wordt genoemd.

De groep van Natelson bouwde een paar jaar geleden de nano-antenne om kleine aantallen moleculen op te sluiten in een opening op nanoschaal tussen gouden elektroden. Als de moleculen eenmaal op hun plaats zitten, de onderzoekers kunnen ze chillen, verwarm ze, beschiet ze met energie van een laser of elektrische stroom en meet het effect door middel van spectroscopie, die informatie verzamelt van de frequenties van het licht dat wordt uitgezonden door het object van belang.

Met voortdurende verfijning, de onderzoekers ontdekten dat ze moleculaire trillingen en de bindingen tussen de atomen in het molecuul konden analyseren. Dat vermogen leidde tot dit experiment, zei Natelson.

Natelson vergeleek de karakteristieke trillingsfrequenties van de bindingen met de manier waarop een gitaarsnaar trilt op een specifieke frequentie op basis van hoe strak hij is gewikkeld. Maak de snaar los en de vibratie neemt af en de toon daalt.

De nano-antenne kan de "toon" van ontstemde trillingen tussen atomen detecteren door middel van oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie (SERS), een techniek die de aflezingen van moleculen verbetert wanneer ze aan een metalen oppervlak zijn bevestigd. Door een buckyball in de opening tussen de gouden elektroden te isoleren, kunnen de onderzoekers trillingen volgen via de optische respons die wordt waargenomen via SERS.

Wanneer een buckyball hecht aan een gouden oppervlak, zijn interne bindingen ondergaan een subtiele verschuiving als elektronen op de kruising zichzelf herschikken om hun laagste energetische toestand te vinden. Het Rice-experiment ontdekte dat de trillingen in alle bindingen enigszins in frequentie daalden om te compenseren.

"Zie deze moleculen als ballen en veren, " Zei Natelson. "De atomen zijn de ballen en de bindingen die ze bij elkaar houden zijn de veren. Als ik een verzameling ballen en veren heb en ik sla erop, het zou bepaalde vibratiemodi laten zien.

"Als we stroom door het molecuul duwen, we zien deze trillingen aanzetten en beginnen te trillen, " zei Natelson. "Maar we vonden, verrassend genoeg, dat de trillingen in buckyballs zachter worden, en met een aanzienlijk bedrag. Het is alsof de veren slapper worden bij hoge spanningen in dit specifieke systeem." Het effect is omkeerbaar; zet het sap uit en de buckyball keert terug naar normaal, hij zei.

De onderzoekers gebruikten een combinatie van experimenten en geavanceerde theoretische berekeningen om een ​​vroeg vermoeden te ontkrachten dat het bekende vibrationele Stark-effect verantwoordelijk was voor de verschuiving. Het Stark-effect wordt waargenomen wanneer de spectrale reacties van moleculen verschuiven onder invloed van een elektrisch veld. De Moleculaire Gieterij, een Department of Energy User Facility in het Lawrence Berkeley National Laboratory, meegewerkt aan de rekencomponent.

De groep van Natelson had soortgelijke effecten bespeurd op oligofenyleenvinyleenmoleculen die in eerdere experimenten werden gebruikt, ook aanleiding geven tot de buckyball-experimenten. "Een paar jaar geleden zagen we hints van trillingsenergieën die rondgingen, maar niets zo schoon of systematisch. Het lijkt erop dat C-60 nogal speciaal is in termen van waar het energetisch zit, " hij zei.

De ontdekking van buckyballs, die een Nobelprijs verdiende voor twee Rice-professoren, de start van de nanotechnologie-revolutie. "Ze zijn heel goed bestudeerd en ze zijn erg chemisch stabiel, " zei Natelson over de moleculen in de vorm van een voetbal. "We weten hoe we ze op oppervlakken moeten aanbrengen, wat je eraan kunt doen en laat ze nog intact. Dit is allemaal goed begrepen." Hij merkte op dat andere onderzoekers naar vergelijkbare effecten kijken door de moleculaire manipulatie van grafeen, de enkel-atomaire laagvorm van koolstof.

"Ik wil geen grote bewering doen dat we een algemene methode hebben om de moleculaire binding in alles af te stemmen, "Zei Natelson. "Maar als je wilt dat chemie op één plek plaatsvindt, misschien wil je die band heel zwak maken, of in ieder geval zwakker maken dan het was.

"Sommigen in de chemiegemeenschap hebben lang gezocht naar een doel om precieze controle te krijgen over waar en wanneer bindingen breken. Ze willen specifiek bepaalde bindingen aandrijven, zorg ervoor dat bepaalde obligaties opgewonden raken, zorg ervoor dat bepaalde breken. We bieden manieren om daarover na te denken."