Genom att fokusera ljus ner till storleken på en atom, forskare vid University of California, Irvine har producerat de första bilderna av en molekyls normala vibrationssätt - de inre rörelserna som driver kemin i alla saker, inklusive funktionen av levande celler.

I en studie publicerad idag i Natur , forskare vid UCI:s Center for Chemistry at the Space-Time Limit beskriver hur de placerade den atomärt avslutade silverspetsen på ett avsökningstunnelmikroskop bara några meter från dess mål:en koboltbaserad porfyrinmolekyl fäst på en kopparplattform. (Porfyriner är av biologisk betydelse för sin roll i andning och fotosyntes.)

Att driva molekylen med ljuset begränsat till silveratomen, teamet grävde ner sig i kvantregimen bland molekylens twittrande atomer, bli den första att registrera vibrationsspektra och observera hur laddningar och strömmar som håller samman atomer i bindningar styrs av de molekylära vibrationerna.

"Från strukturella förändringar i kemi till molekylär signalering, alla dynamiska processer i livet har att göra med molekylära vibrationer, utan vilken allt skulle vara fruset, " sa medförfattaren V. Ara Apkarian, CaSTL-direktör och UCI Distinguished Professor of kemi. "Vi har länge varit medvetna om dessa vibrationer. I evigheter, vi har mätt deras frekvenser genom spektroskopi - men först nu har vi kunnat se vad som rör sig och hur."

Medförfattare Joonhee Lee, CaSTL forskare, lade till:"Hintills, molekylära vibrationer har förklarats bildligt med hjälp av vickande bollar och förbindande fjädrar för att representera atomer och bindningar, respektive. Nu kan vi direkt visualisera hur enskilda atomer vibrerar inom en molekyl. Bilderna vi tillhandahåller kommer att visas i läroböcker för att hjälpa eleverna att bättre förstå konceptet med vibrationsnormala lägen, som hittills varit ett teoretiskt begrepp."

För att uppnå atomär upplösning, CaSTL-forskare satte upp sitt experiment i en miljö med extremt högt vakuum och låg temperatur (6 kelvins) för att eliminera alla yttre rörelser och placerade sin enatoms sond nära målmolekylen, inom ett avstånd mindre än en atoms storlek. Glaslinser skulle inte fungera i den här typen av mikroskopi, där egenskaper löses upp på en skala som är tusen gånger mindre än ljusets våglängd.

"Gränsen för vad du kan se i standardmikroskopi är halva ljusets våglängd, vilket är i storleksordningen en halv mikron, varifrån mikroskopet har fått sitt namn, Apkarian sa. "Det optiska mikroskopet revolutionerade cellbiologin eftersom man genom det kan observera vad som händer inuti en cell - men en molekyl är en tusendel av storleken på en cell."

I deras experiment, teamet petade och knuffade den koboltbaserade molekylen med en silveratom som zappades med laserljus, riskerar att uppröra målet. CaSTL-forskarna mildrade denna möjlighet genom att frysa provet på ett kopparsubstrat. Molekylen plattas till genom att binda till koppar, exponerar sig själv för närgången av den skanande tunnelmikroskopspetsen.

Genom att flytta silverspetsen upp och ner i förhållande till provet för att hålla ett avstånd på cirka 2 ängström (1 ängström motsvarar en tiomiljarddels meter), forskarna kunde registrera skillnader i frekvenser vid olika positioner inom molekylen. De hävdar att den otroliga upplösningen härrör från kvantmekanisk tunnling av plasmoner (elektroner som interagerar med ljus), motverka uppfattningen att tunnling skulle minska det elektriska fältet som behövs för att excitera molekylen.

"Vi har ett mikroskop nu som kan lösa atomer, och vi använder det för att titta inuti molekyler, vilket var otänkbart för bara några år sedan, ", sa Apkarian. "Den rumsliga upplösningen av optisk mikroskopi har ökat ytterligare, och det vi ser i denna skala är verkligen fantastiskt."

Nästa, CaSTL-forskare kommer att ytterligare förfina sina mätningar av elektriska fält inom molekyler, arbeta för att upptäcka var atomer saknas i molekylära strukturer, och använd kvantinterferensprinciper för att karakterisera ännu finare detaljer.

"Detta National Science Foundation-stödda team nådde en stor milstolpe genom att övervinna omöjliga barriärer för att utveckla ett nytt instrument för att "se" de individuella atomerna i en molekyl i realtid och rum, sa Kelsey Cook, NSF:s kemiprogramledare. "Denna uppfinning kommer att leda till aldrig tidigare skådad, transformationell förståelse för hur molekyler reagerar och celler fungerar."