Den ökända kvävande kolmonoxiden har få sanna beundrare, men det gynnas av University of California, Irvine-forskare som använder den för att studera andra molekyler.

Med hjälp av ett skannande tunnelmikroskop, forskare vid UCI:s Center for Chemistry at Space-Time Limit använde den diatomiska föreningen som en sensor och omvandlare för att sondera och bildprover, få en oöverträffad mängd information om deras strukturer, bindningar och elektriska fält. Fynden publicerades i Vetenskapens framsteg .

"Vi använde den här tekniken för att kartlägga, med submolekylär rumslig upplösning, den kemiska informationen inuti en molekyl, " sa medförfattaren V. Ara Apkarian, CaSTL-direktör och UCI-professor i kemi. "Att kunna se de inre funktionerna hos all materias grundläggande enheter är verkligen fantastiskt, och det är ett av huvudmålen vi har eftersträvat på CaSTL i mer än ett decennium."

För att uppnå dessa resultat, CaSTL-forskare fäste en enda kolmonoxidmolekyl till änden av en vass silvernål inuti räckvidden. De belyste spetsen med en laser och spårade vibrationsfrekvensen för den bifogade CO-bindningen genom den så kallade Raman-effekten, vilket leder till förändringar i färgen på ljus som sprids från korsningen.

Effekten är svag, bara en del per miljard eller så, enligt Kumar Wickramasinghe, en UCI-professor i elektroteknik och datavetenskap och veteranmedlem i CaSTL-fakulteten som inte var involverad i denna studie. Men spetsen på nålen i scanningstunnelmikroskopet fungerar som en blixtstång, förstärker signalen med 12 storleksordningar. Genom att registrera små förändringar i vibrationsfrekvensen för CO-bindningen när den närmade sig riktade molekyler, forskarna kunde kartlägga molekylära former och egenskaper på grund av variationer i elektriska laddningar inom en molekyl.

De sonderade molekylerna i experimenten var metalloporfyriner, föreningar som finns i mänskligt blod och växtklorofyll som utnyttjas flitigt i displayteknik.

De tagna bilderna gav oöverträffade detaljer om målet metalloporfyrin, inklusive dess avgift, intramolekylär polarisering, lokal fotokonduktivitet, atomiskt upplösta vätebindningar och ytelektrondensitetsvågor – de krafter som dikterar molekylernas funktionalitet och strukturella omvandling. Med andra ord, kemi.

"Professor Apkarian och hans grupp har, för första gången, skapat ett instrument som kan kartlägga lokala elektriska fält på submolekylär nivå, sade Wickramasinghe, WHO, som fellow på IBM, var en av de främsta uppfinnarna av världens tidigaste atomkraftmikroskop. "Det stora steget teamet har tagit är att ha gjort det möjligt att kartlägga de elektriska fältfördelningarna inuti en enda molekyl med hjälp av Raman-effekten, vilket är en anmärkningsvärd prestation."

Enligt huvudförfattaren Joonhee Lee, CaSTL forskningskemist, ett av de viktigaste resultaten av experimenten var klarläggandet av den elektrostatiska potentialytan hos metalloporfyrinmolekylen – i princip, dess funktionella form, som tills nyligen varit en teoretisk konstruktion. Han sa att förmågan att bestämma detta kommer att vara särskilt fördelaktig i framtida studier av makromolekyler, såsom proteiner.

Detta arbete är mycket i sfären av ren, grundläggande vetenskaplig forskning, Lee noterar, men han tror att det kan finnas några praktiska tillämpningar för elektromekaniska system med en molekyl inom en snar framtid.

"Mikroelektromekaniska system används i nuvarande teknologier som smartphones. De har fått sitt namn från mikronskalan av sådana enheter; en mikron är en hundradel av storleken på ett människohår, " sa Lee. "Enkelmolekylära elektromekaniska system är 10, 000 gånger mindre. Tänk om våra miniatyriserade enheter använde kretsar i den skalan."