Een internationaal team van onderzoekers van het Donostia International Physics Center, Fritz-Haber Instituut van de Max Planck Society, Universiteit van Liverpool, en de Poolse Academie van Wetenschappen heeft een nieuwe manier getoond om een ​​schakelaar met één molecuul te bedienen door een externe kracht toe te passen.

Het gecombineerde experimentele en theoretische werk, deze week gepubliceerd in Natuurchemie , opent een unieke mogelijkheid voor het bestuderen van mechanische activering en verwerking op het niveau van één molecuul, elementaire reacties die betrokken zijn bij veel belangrijke biologische functies en cruciaal zijn in moleculaire apparaten.

De kracht die nodig is om een ​​lichtschakelaar op een muur te activeren is gering. Maar hoeveel kracht moet je uitoefenen als het apparaat op nanoschaal was? |Dat wil zeggen, hoeveel kracht heb je nodig om een ​​"single-molecule switch" te bedienen? Deze fundamentele vraag heeft niet alleen betrekking op basiswetenschap, maar ook op mogelijke toekomstige toepassingen van moleculaire apparaten.

Onderzoekers van het Donostia International Physics Center, San Sebastian (Baskenland, Spanje), Fritz-Haber Instituut van de Max Planck Society, Berlijn, Duitsland), Universiteit van Liverpool, (VK) en de Poolse Academie van Wetenschappen, Warschau (Polen) is erin geslaagd op een gecontroleerde manier een "single-molecule switch" te activeren door de kracht van de atomair scherpe naald van een ultramoderne scanning probe-microscoop.

De experimentele en theoretische studie, vandaag gerapporteerd in het prestigieuze tijdschrift Natuurchemie , toont aan dat een intramoleculaire waterstofatoomoverdracht kan worden geactiveerd in een geschikt organisch molecuul dat op een oppervlak is geadsorbeerd door de scherpe metalen punt voldoende dichtbij te brengen. De reactie, tautomerisatie genoemd, is belangrijk in de organische chemie en moleculaire biologie en ook een interessant fenomeen voor moleculaire elektronische apparaten.

De onderzoekers konden niet alleen de kracht kwantificeren die nodig was om hun kleine schakelaar te bedienen, een porfyceenmolecuul op een koperoppervlak, maar laten ook zien dat de omschakeling alleen kan worden geïnduceerd op een zeer specifieke positie van de punt boven het molecuul, met een ruimtelijke resolutie van een fractie van een chemische bindingslengte, namelijk ongeveer 0,00000002 millimeter. Verder, ze toonden het belang aan van de "chemische reactiviteit" van de puntapex in het door kracht geïnduceerde proces, aangezien het molecuul niet kan worden verwisseld wanneer de top van de naald is versierd met een enkel xenon-atoom - een inert element dat de vereiste chemische reactiviteit mist.

Takashi Kumagai bij FHI-MPG, die deze studie heeft bedacht, construeerde de experimentele opstelling waarin een oscillerende naald van een gecombineerde atoomkracht en scanning tunneling microscoop wordt benaderd binnen enkele atomaire afstanden tot het molecuul. De omschakeling kwam naar voren als een kenmerkend kenmerk in de frequentieverschuivingen bij het naderen van de punt en werd ook bevestigd door veranderingen op de afbeeldingen op atomaire schaal door de punt gelijktijdig over het molecuul te scannen. Er werd gemeten dat de benodigde kracht ongeveer één nano-Newton was, wat iets minder is dan de kracht die nodig is om een ​​typische covalente binding tussen twee atomen te verbreken.

Het onderzoeksteam voerde ook uitgebreide computersimulaties uit om het atomistische mechanisme achter de krachtgeïnduceerde schakeling op te helderen. De simulaties reproduceerden met succes de experimentele resultaten en gaven een atomistische beschrijving van de werking van de schakelaar met één molecuul. Thomas Frederiksen, Ikerbasque Research Professor aan het Donostia International Physics Centre (DIPC) - UPV/EHU legt uit dat "onze berekeningen onthulden dat de tautomerisatie, dat is het schakelen, treedt op door een vermindering van de energieactiveringsbarrière bij het naderen van een metalen punt. Echter, het gedrag verandert dramatisch met een punt met xenon-terminus en er kan geen tautomerisatie worden veroorzaakt vanwege de inertie en zachtheid ervan."

De onderzoekers benadrukken dat de bestudeerde kracht-geïnduceerde reactie met veranderingen in het reactiepad lijkt op een elementaire stap in katalytische processen. Daarom, hun resultaten bieden ook een nieuwe strategie om een ​​dieper atomistisch inzicht te krijgen in katalytische reacties, wat leidt tot een nieuwe controle van de chemie op atomair niveau.