Il drill-down molecole’ atomi dà inedito scorcio di vibrazioni

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Fonte: © Joonhee Lee/Springer Natura Limitata 2019

La nuova tecnica di microscopia è stato utilizzato per indagare l’atomica vibrazioni di una porfirina

I chimici possono già identificare le molecole con le loro interazioni con la radiazione elettromagnetica. Ciò che sta accadendo all’interno delle molecole, in risposta alle radiazioni è molto più complicato, però. Ma ora i ricercatori negli stati UNITI hanno utilizzato una scala atomica metallizzato suggerimento per concentrare la luce in basso per sub-atomica scale, e, quindi, di misurare direttamente le vibrazioni all’interno di singole molecole. La ricerca potrebbe potenzialmente guida di chimica da catalizzatore di progettazione per la superconduttività.

Come strumento musicale a corde, le molecole sono ” normali modalità di vibrazione con il caratteristico frequenze di risonanza. Le molecole di assorbire le frequenze di radiazione che eccitano queste modalità. Importanti picchi di assorbimento negli spettri infrarossi di comuni molecole come l’acqua e l’anidride carbonica sono familiari a ogni studente di farmacia. Misurando l’assorbimento di frequenze di una molecola è relativamente banale, l’assegnazione di questi specifici movimenti atomici non è.

Il problema è che, nell’ottica tradizionale, due oggetti devono essere almeno la metà della lunghezza d’onda oltre a essere risolto. L’infrarosso frequenze di risonanza dei modi normali hanno lunghezze d’onda in micrometri, mentre gli atomi in molecole sono solo un paio di ångströms a parte. Imaging singole molecole, figuriamoci vedere dentro di loro – è dunque impossibile con infrarossi tradizionali o spettroscopia Raman. I chimici devono pertanto fare affidamento sull’analisi teorica. “E ‘un risultato notevole di scienza che siamo in grado di misurare frequenze di assorbimento della molecola e quindi ricostruire i suoi modi normali in teoria, spiega chimico fisico Vartkess Apkarian presso l’Università di California, Irvine. E ‘per questo che davvero non banale teoria che si è sviluppata negli ultimi cento anni”. La teoria funziona bene per le molecole isolate, ma è inferiore quando si considera molecole a contatto con le superfici, per esempio.

Guardare sotto il cofano

Una potenziale soluzione si trova in plasmonica. I plasmoni sono quantised oscillazioni di un metallo gratuito di densità elettronica. Pur avendo atomica dimensioni, possono essere eccitati dalla luce a infrarossi, permettendo di radiazione elettromagnetica per essere schiacciato giù per la scala atomica. Essi sono stati utilizzati per amplificare enormemente deboli segnali Raman, ponendo il campione in oro o argento substrato – una tecnica chiamata surface enhanced Raman spectroscopy. ‘Ci sono decine di migliaia di articoli pubblicati ogni anno, ma i dettagli dell’effetto non sono mai stati realmente controllato o capito”, dice Apkarian.

Fonte: © Joonhee Lee/Springer Natura Limitata 2019

Visualizzazione delle vibrazioni degli atomi di un composto porfirina

Nella nuova ricerca, Apkarian e colleghi immobilizzato singole molecole di cobalto(II)–tetraphenyl porfirina in altissima vuoto a temperature criogeniche. Hanno portato un argento scanning tunneling microscope ago con un solo atomo di punta all’interno di 2Å di superficie. Come analizzato il suggerimento più volte nel corso di una molecola, l’hanno usata per iniettare i fotoni di diverse infrarossi frequenze in diverse parti. I fotoni di diverse frequenze, sparsi per l’effetto Raman sono stati rilevati dalla punta, permettendo ai ricercatori di misurare la risposta di diverse parti della molecola a diverse frequenze della luce. “Nell’ultimo anno ci sono stati un paio di saggi teorici suggerendo dovrebbe essere possibile, ma questa è la prima dimostrazione di, effettivamente, un microscopio che arriva in atomi di una molecola,’ Apkarian dice.

I ricercatori hanno usato i loro risultati di ricostruire i movimenti atomici in ciascuno dei modi normali. Confrontando i risultati con un’analisi teorica, hanno trovato alcune discrepanze. ‘Ci vorranno un paio di anni per la teoria di raggiungere il livello di sofisticazione necessaria per riprodurre i risultati già pubblicati, spiega Apkarian. ‘Penso che questo sta per essere estremamente utile per chiarire le cose come e perché una molecola è più attivo rispetto a un altro in catalisi eterogenea.’ Apkarian collega di Joonhee Lee, che ha guidato la ricerca, ha detto: “Si scopre vibrazione è onnipresente ed è tremendamente importanti informazioni. Quando due elettroni, che normalmente respingere – sono legati tra di loro da un reticolo di vibrazioni, che dà origine alla superconduttività.’

“È una bella carta,’ dice nanoscientist Jeremy Baumberg presso l’Università di Cambridge. ‘La gente, noi compresi, hanno dimostrato che si dovrebbe essere in grado di ottenere molto di alta risoluzione spaziale di imaging che utilizza un piccolo suggerimento. Ora, questo non è solo guardando gli atomi, ma di imaging, le obbligazioni, direttamente attraverso il loro vibrazionale informazioni e poi tutti di chimica’. Egli avverte, tuttavia, che le condizioni estreme che richiedono ‘come sta per aiutarci ad andare avanti con, diciamo, la catalisi è abbastanza chiaro’.

Riferimenti

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