Modeller och schematiska diagram är kraftfulla verktyg för att studera kemins grundläggande funktioner, men de räcker inte för Wilson Ho.

"Atomer, molekyler och bindningarna som håller dem samman – jag vill se dessa saker som de faktiskt ser ut i naturen, säger Ho, UCI:s Donald Bren professor i fysik &astronomi och kemi. "Dessa fenomen är centrala för kemin; det är viktigt att avbilda dem direkt istället för att bara studera dem från ritningar i läroböcker."

Hej, som kom till UCI 2000, har gjort en karriär av att försöka förstå intermolekylärt beteende. Han vill veta "vad karaktären av denna interaktion är, vad som verkligen händer vid bindningspunkten och vad som gör att molekyler attraherar varandra för att bilda mer komplicerade, utökade strukturer?"

Under de senaste månaderna, han och hans forskargrupp har gjort betydande genombrott i sina ansträngningar att se dessa hittills osynliga processer. Deras mål var att få en ögonblicksbild av kemiska bindningar som involverar fluor, som delar en kolumn i det periodiska systemet med andra så kallade halogenelement, inklusive klor, brom och jod.

Fluor används i många läkemedel och i polymerer som utgör många av de material som människor använder dagligen. Men, enligt Ho, även tillverkare som hanterar molekyler som innehåller elementet är inte klara över hur det interagerar med intilliggande föreningar.

Genom att använda en unik, handgjorda mikroskop, Ho och hans doktorander lyckades avbilda halogenbindningar i det verkliga rummet och rapporterade sina resultat i Vetenskap den här sommaren.

"Visningar som tidigare uppnåtts genom vår metod har visat att många kemiska bindningar är ganska lika i den verkliga världen som du ser i litteraturen:i grund och botten, atomer med linjer som förbinder dem, " säger Ho. "Men mönstret av fluor-halogenbindningen – en sorts pinwheel-form – var ganska överraskande, verkligen annorlunda än allt du skulle rita på ett pappersark."

Veteranforskaren säger att denna forskningslinje har stimulerat en evolution i hans tänkande om kemiska bindningar, som klassificeras enligt t.ex. väte, kovalent, jonisk och halogen, samt svaga band kända som Van der Waals-interaktioner som Ho jämför med en geckos klibbiga fotspår.

"Den djupare innebörden av vårt arbete är att alla dessa olika typer av kemiska bindningar kan beskrivas i en mer enhetlig bild, " säger han. "Med vår apparat och teknik, vi kan se att starka kovalenta bindningar och svagare halogenbindningar verkar mycket lika; det är bara en skillnad i styrka och graden av elektrondelning."

Nyckeln till alla upptäckter som kommer från Ho's labb är ett instrument som kallas scanning tunneling microscope. Upptar tre nivåer i källaren i Reines Hall, det enorma konglomeratet av kammare och rör i rostfritt stål – mycket av det täckt av skrynklig folie – är sammankopplad med mil av ledningar och kablar och omgiven av banker av datorer och annan elektronisk utrustning.

Designad och byggd av Ho och doktorander, apparaten svävar på en uppsättning av fyra stötdämpande stolpar för att minimera eventuella störningar från yttre vibrationer. Detta mikroskop använder inte en optisk lins. Istället, den avbildar molekyler med en elektronemitterande spets, eller nål, placerad bara 5 ångström från ämnen. (I jämförelse, en väteatom är en halv ångström.) Nålen är stabil till en tusendels ångström.

En annan nyckel till instrumentets stabilitet och precision är dess driftstemperatur, 600 millikelvin. Absolut noll, den lägsta teoretiska temperaturen, är kallare med bara sex tiondelar av en kelvin.

"Detta ger oss mycket bra energiupplösning, som tillåter oss att exakt mäta små elektrostatiska krusningar inuti och mellan molekylerna vi studerar, "Ho säger. "Vi kan få bilder genom att övervaka variationer i vibrationsintensiteten hos vår sondmolekyl."

För att komma ner till den temperaturen, han tappar in sin egen förråd av flytande helium, som han återvinner i en annan Reines Hall-anläggning, också designad och konstruerad av hans team. "Vi gillar att bygga våra egna instrument, ", säger Ho. "Det ger bra träning för eleverna. När de går härifrån, de kan lita på all den erfarenheten när det gäller att lösa problem och tillverka enheter. Det är inte många ställen som gör det."

En sådan doktorand, Gregory Czap, har satt sin prägel på mikroskopet genom att uppfinna förreglingsanordningar som låter forskare snabbt byta experiment.

"Jag tycker att det är ganska fenomenalt att få arbeta på en sådan här maskin, " säger han. "Det ger dig förmågan att titta på enskilda atomer och bindningar. Sådana saker, för inte så länge sedan, folk trodde inte att du någonsin skulle kunna se. Och mer än att titta på dem, du kan leka med dem. Du kan göra saker som att bryta och bilda band. Du kan flytta om molekyler för att se hur de interagerar med varandra. Det är bara fantastiskt."