Drill-down, um Moleküle, die’ Atome liefert beispiellosen Einblick in Schwingungen

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Quelle: © Joonhee Lee/Springer Natur Beschränkt 2019

Die neue Mikroskopie-Technik wurde verwendet, um zu untersuchen, die atomaren Schwingungen des porphyrin –

Chemiker können bereits identifizieren Moleküle, die über Ihre Wechselwirkungen mit der elektromagnetischen Strahlung. Arbeiten Sie heraus, was passiert im inneren der Moleküle, die in Reaktion auf Strahlung ist viel schwieriger, aber. Aber jetzt Forscher in den USA verwendet haben, ein atomarer Skala metallischen Spitze zu konzentrieren Licht hinunter zu sub-atomaren Skalen abzubilden, und damit direkt zu Messen Schwingungen innerhalb der einzelnen Moleküle. Die Forschung könnte möglicherweise Leitfaden der Chemie von Katalysator-design, um die Supraleitung.

Wie Musikinstrument Zeichenfolgen, die Moleküle haben ‘normal modes’ der Schwingung mit charakteristischen Resonanzfrequenzen. Moleküle absorbieren Frequenzen der Strahlung, die begeistern diese Modi. Die Prominente Absorptions-peaks im Infrarot-Spektren von gemeinsamen Moleküle wie Wasser und Kohlendioxid sind vertraut jeder student Chemiker. Während die Messung der absorption von Frequenzen eines Moleküls ist relativ trivial, diese Zuordnung zu bestimmten atomaren Bewegungen nicht.

Das problem ist, dass, in traditioneller Optik, zwei Objekte müssen mindestens eine halbe Wellenlänge auseinander gelöst werden. Die Infrarot-Resonanz-Frequenzen der normalen Modi haben Wellenlängen in Mikrometern, während Atome in Molekülen sind nur wenige ångström voneinander entfernt. Imaging-einzelne Moleküle–, geschweige denn sehen in Ihnen – ist daher unmöglich, mit herkömmlichen Infrarot-oder Raman-Spektroskopie. Chemiker müssen daher verlassen Sie sich auf die theoretische Analyse. ‘Es ist eine ungeheure Errungenschaft der Wissenschaft, die wir Messen die absorption von Frequenzen eines Moleküls und rekonstruieren Sie dann Ihre normalen Modi theoretisch”, erklärt Chemische Physiker Vartkess Apkarian an der University of California, Irvine. “Das ist wirklich nicht-triviale Theorie entwickelt hat, die über die letzten hundert Jahre.’ Die Theorie funktioniert auch für isolierte Moleküle, aber greift zu kurz, wenn man Moleküle in Kontakt mit Oberflächen, zum Beispiel.

Sucht unter der Motorhaube

Eine mögliche Lösung liegt in der plasmonik. Plasmonen sind quantisierte Schwingungen des Metall – freie-Elektronen-Dichte. Trotz atomaren Dimensionen, Sie können angeregt werden, die durch Infrarot-Licht, so dass elektromagnetische Strahlung gepresst werden unten auf der atomaren Skala. Sie wurden verwendet, um die enorm verstärken schwachen Raman-Signale durch die Platzierung der Probe auf eine gold-oder Silber-Substrat – eine Technik namens surface-enhanced Raman-Spektroskopie. “Es gibt Zehntausende von Publikationen pro Jahr, aber die details, die die Wirkung haben, nie wirklich kontrolliert oder verstanden”, sagt Apkarian.

Quelle: © Joonhee Lee/Springer Natur Beschränkt 2019

Visualisierung der Schwingungen der Atome des porphyrin-Verbindung

In der neuen Forschung, Apkarian und Kollegen immobilisierte einzelne Moleküle von Kobalt – (II)–tetraphenyl porphyrin unter Ultrahochvakuum (UHV) bei kryogenen Temperaturen. Sie brachten eine Silber-scanning tunnelling microscope Nadel mit nur einem atom an der Spitze innerhalb 2Å der Oberfläche. Als Sie überflog die Spitze mehrfach in einem Molekül, die Sie verwendet, es zu injizieren Photonen von verschiedenen Infrarot-Frequenzen in verschiedene Teile. Photonen verschiedener Frequenzen verstreut durch den Raman-Effekt festgestellt wurden, durch die Spitze, so dass die Forscher die Messung der Reaktion der verschiedenen Teile des Moleküls auf unterschiedliche Frequenzen des Lichts. “Im vergangenen Jahr oder so gab es sehr wenige theoretische arbeiten was darauf hindeutet, es sollte möglich sein, aber dies ist die erste demonstration, effektiv, ein Mikroskop, das reicht bis in die Atome eines Moleküls,’, sagt Apkarian.

Die Forscher Ihre Ergebnisse zur Rekonstruktion der atomaren Bewegungen in jeder der normal-Modi. Vergleicht man die Ergebnisse mit der theoretischen Analyse, fanden Sie einige Abweichungen. “Es wird einige Jahre dauern, Theorie zu erreichen, den Grad der Komplexität notwendig, um die Ergebnisse reproduzieren, die wir bereits veröffentlicht haben”, sagt Apkarian. “Ich denke, das wird äußerst nützlich bei der Klärung der Dinge wie, warum ein Molekül ist aktiver als andere in der heterogenen Katalyse.’ Apkarian Kollege von Joonhee Lee, wer führte die Forschung, sagt: “Es stellt sich heraus Schwingungen ist allgegenwärtig und es ist enorm wichtige Informationen. Wenn zwei Elektronen, die normalerweise stoßen – sind aneinander gebunden durch gitterschwingungen, das gibt Anlass zu der Supraleitung.’

“Es ist ein sehr schönes Papier”, sagt nanoscientist Jeremy Baumberg an der Universität von Cambridge. “Menschen, uns selbst eingeschlossen, haben gezeigt, dass Sie sollten in der Lage, sehr hohe Auflösung, räumliche Abbildung, mit einem winzigen Tipp. Nun, das ist nicht nur einen Blick auf die Atome, sondern die Belichtung der Anleihen direkt durch Ihre Schwingungs-Informationen – und das ist dann alles nur Chemie’. Er warnt jedoch, dass die extremen Bedingungen, die erforderlich sind, bedeuten, dass ‘wie es geht zu helfen, uns vorwärts zu bewegen mit der, sagen wir, der Katalyse ist ziemlich unklar’.

Referenzen

J Lee et al, Natur, 2019, 568, 78 (DOI: 10.1038/s41586-019-1059-9)