För fysikern Percy Zahl, Att optimera och förbereda ett beröringsfritt atomkraftsmikroskop (nc-AFM) för att direkt visualisera den kemiska strukturen hos en enskild molekyl är lite som att spela ett virtuell verklighetsspel. Processen kräver att man navigerar och manipulerar spetsen på instrumentet över världen av atomer och molekyler, så småningom plocka upp några på rätt plats och på rätt sätt. Om dessa utmaningar slutförs framgångsrikt, du avancerar till den högsta nivån, få bilder som exakt visar var enskilda atomer finns och hur de är kemiskt bundna till andra atomer. Men ta ett fel drag, och det är över. Dags att börja igen.

"nc-AFM har en mycket känslig enkelmolekylsspets som skannar över en noggrant förberedd ren enkristallyta på konstant höjd och "känner" krafterna mellan spetsmolekylen och enstaka atomer och bindningar av molekyler placerade på denna rena yta , " förklarade Zahl, som är en del av Interface Science and Catalysis Group vid Center for Functional Nanomaterials (CFN), en användaranläggning för vetenskapskontoret i USA:s energidepartement (DOE) vid Brookhaven National Laboratory. "Det kan ta en timme eller dagar att få den här sensorn att fungera ordentligt. Du kan inte bara trycka på en knapp; finjustering krävs. Men all denna ansträngning är definitivt värt besväret när du ser bilderna som molekyler i en lärobok i kemi. "

En historia av kemisk strukturbestämning

Sedan början av kemiområdet, forskare har kunnat bestämma grundämnessammansättningen av molekyler. Vad som har varit svårare är att lista ut deras kemiska strukturer, eller det speciella arrangemanget av atomer i rymden. Att känna till den kemiska strukturen är viktigt eftersom det påverkar molekylens reaktiviteter och andra egenskaper.

Till exempel, Michael Faraday isolerade bensen 1825 från en oljegasrester. Det fastställdes snart att bensen består av sex väte- och sex kolatomer, men dess kemiska struktur förblev kontroversiell fram till 1865, när Friedrich August Kekulé föreslog en cyklisk struktur. Dock, hans förslag baserades inte på en direkt observation utan snarare på logisk slutledning från antalet isomerer (föreningar med samma kemiska formel men olika kemiska strukturer) av bensen. Den korrekta symmetriska hexagonala strukturen för bensen avslöjades slutligen genom dess diffraktionsmönster som erhölls av Kathleen Lonsdale via röntgenkristallografi 1929. 1931, Erich Huckel använde kvantteori för att förklara ursprunget till "aromaticitet" i bensen. Aromaticitet är en egenskap hos platta ringformade molekyler där elektroner delas mellan atomer. På grund av detta unika arrangemang av elektroner, aromatiska föreningar har en speciell stabilitet (låg reaktivitet).

I dag, Röntgenkristallografi fortsätter att vara en vanlig teknik för att bestämma kemiska strukturer, tillsammans med kärnmagnetisk resonansspektroskopi. Dock, båda teknikerna kräver kristaller eller relativt rena prover, och kemiska strukturmodeller måste härledas genom att analysera de resulterande diffraktionsmönstren eller spektra.

Den första faktiska bilden någonsin av en kemisk struktur erhölls för bara ett decennium sedan. År 2009, forskare vid IBM Research–Zurich Lab i Schweiz använde nc-AFM för att lösa upp atomryggraden i en enskild pentacenmolekyl, se dess fem sammansmälta bensenringar och till och med kol-vätebindningarna. Detta genombrott möjliggjordes genom att välja en lämplig molekyl för änden av spetsen - en som kunde komma mycket nära ytan av pentacen utan att reagera med eller binda till den. Det krävde också optimerad sensoravläsningselektronik vid kryogena temperaturer för att mäta små frekvensförskjutningar i sondens oscillation (som relaterar till kraften) samtidigt som mekanisk och termisk stabilitet bibehålls genom vibrationsdämpande inställningar, ultrahöga vakuumkammare, och lågtemperaturkylsystem.

"Lågtemperatur nc-AFM är den enda metoden som direkt kan avbilda den kemiska strukturen hos en enda molekyl, " sa Zahl. "Med nc-AFM, du kan visualisera positionerna för enskilda atomer och arrangemanget av kemiska bindningar, som påverkar molekylens reaktivitet."

Dock, för närvarande finns det fortfarande vissa krav på att molekyler ska vara lämpliga för nc-AFM-avbildning. Molekyler måste huvudsakligen vara plana (platta), eftersom skanningen sker på ytan och därför inte är lämplig för stora tredimensionella (3-D) strukturer såsom proteiner. Dessutom, på grund av skanningens långsamma karaktär, endast några hundra molekyler kan praktiskt undersökas per experiment. Zahl noterar att denna begränsning skulle kunna övervinnas i framtiden genom artificiell intelligens, vilket skulle bana väg mot automatiserad scanningsprobmikroskopi.

Enligt Zahl, även om nc-AFM sedan dess har tillämpats av ett fåtal grupper runt om i världen, det är inte utbrett, speciellt i USA.

"Tekniken är fortfarande relativt ny och det finns en lång inlärningskurva för att förvärva CO-spetsbaserade molekylära strukturer, ", sa Zahl. "Det krävs mycket erfarenhet av scanning sond mikroskopi, samt tålamod."

En unik förmåga och expertis

nc-AFM vid CFN representerar en av få i detta land. Under de senaste åren, Zahl har uppgraderat och anpassat instrumentet, framför allt med mjukvara och hårdvara med öppen källkod, GXSM (för Gnome X skanningsmikroskopi). Zahl har utvecklat GXSM i mer än två decennier. Ett kontrollsystem för signalbehandling i realtid och programvara registrerar kontinuerligt driftsförhållandena och justerar automatiskt spetspositionen efter behov för att undvika oönskade kollisioner när instrumentet drivs i ett AFM-specifikt skanningsläge för att registrera krafter över molekyler. Eftersom Zahl skrev programvaran själv, han kan programmera och implementera nya avbildnings- eller driftslägen för nya mätningar och lägga till funktioner för att hjälpa operatörer att bättre utforska atomvärlden.

Till exempel, nyligen använde Zahl ett anpassat "slicing"-läge för att bestämma den 3-D geometriska konfigurationen där en enda molekyl av dibensotiopen (DBT) - en svavelinnehållande aromatisk molekyl som vanligtvis finns i petroleum - adsorberas på en guldyta. DBT-molekylen är inte helt plan utan snarare lutad i en vinkel, så han kombinerade en serie kraftbilder (skivor) för att skapa en topografiskt liknande representation av molekylens hela struktur.

"I det här läget, hinder som utskjutande atomer undviks automatiskt, " sade Zahl. "Denna förmåga är viktig, eftersom kraftmätningarna idealiskt tas i ett fast plan, med behovet av att vara mycket nära atomerna för att känna de frånstötande krafterna och i slutändan för att uppnå detaljerad bildkontrast. När delar sticker ut ur molekylplanet, de kommer sannolikt att påverka bildkvaliteten negativt."

Den här avbildningen av DBT var en del av ett samarbete med Yunlong Zhang, en fysisk organisk kemist vid ExxonMobil Research and Engineering Corporate Strategic Research i New Jersey. Zhang träffade Zahl på en konferens för två år sedan och insåg att kapaciteten och expertisen inom nc-AFM vid CFN skulle ha stor potential för hans forskning om petroleumkemi.

Zahl och Zhang använde nc-AFM för att avbilda den kemiska strukturen hos inte bara DBT utan också hos två kvävehaltiga aromatiska molekyler - karbazol (CBZ) och akridin (ACR) - som är allmänt observerade i petroleum. När man analyserar bilderna, de utvecklade en uppsättning mallar med gemensamma egenskaper i de ringformade molekylerna som kan användas för att hitta svavel- och kväveatomer och skilja dem från kolatomer.

Petroleum:en komplex blandning

Den kemiska sammansättningen av petroleum varierar mycket beroende på var och hur den bildades, men i allmänhet innehåller den mest kol och väte (kolväten) och mindre mängder av andra grundämnen, inklusive svavel och kväve. Under förbränning, när bränslet förbränns, dessa "heteroatomer" producerar svavel- och kväveoxider, som bidrar till bildandet av surt regn och smog, både luftföroreningar som är skadliga för människors hälsa och miljön. Heteroatomer kan också minska bränslestabiliteten och korrodera motorkomponenter. Även om det finns raffineringsprocesser, inte allt svavel och kväve avlägsnas. Att identifiera de vanligaste strukturerna av orena molekyler som innehåller kväve- och svavelatomer kan leda till optimerade raffineringsprocesser för att producera renare och effektivare bränslen.

"Vår tidigare forskning med IBM-gruppen i Zürich om petroleumasfaltener och tungoljeblandningar gav den första "tittingen" i många strukturer inom petroleum, " sade Zhang. "Men, mer systemiska studier behövs, speciellt på närvaron av heteroatomer och deras exakta placeringar inom aromatiska kolvätestrukturer för att bredda tillämpningen av denna nya teknik för att identifiera komplexa molekylära strukturer i petroleum."

För att avbilda atomerna och bindningarna i DBT, CBZ, och ACR, forskarna förberedde spetsen på nc-AFM med en enda kristall av guld vid spetsen och en enda molekyl kolmonoxid (CO) vid termineringspunkten (samma typ av molekyl som användes i det ursprungliga IBM-experimentet). Metallkristallen ger ett atomiskt rent och plant stöd från vilket CO-molekylen kan plockas upp.

Efter att ha "funktionaliserat" tipset, de deponerade några få av var och en av molekylerna (dammängd) på en guldyta inuti nc-AFM under ultrahögt vakuum vid rumstemperatur via sublimering. Under sublimering, molekylerna går direkt från fast till gasfas.

Även om bilderna de tog påfallande liknar kemiska strukturritningar, du kan inte direkt av dessa bilder se om det finns ett kväve, svavel, eller kolatom närvarande i ett speciellt ställe. Det krävs viss indatakunskap för att dra denna information.

"Som utgångspunkt, vi avbildade små välkända molekyler med typiska byggstenar som finns i större polycykliska aromatiska kolväten – i det här fallet, i petroleum, " förklarade Zahl. "Vår idé var att se hur de grundläggande byggstenarna i dessa kemiska strukturer ser ut och använda dem för att skapa en uppsättning mallar för att hitta dem i större okända molekylära blandningar."

Till exempel, för svavel- och kvävehaltiga molekyler i petroleum, svavel finns bara i ringstrukturer med fem atomer (pentagon ringstruktur), medan kväve kan finnas i ringar med antingen fem eller sex (hexagonal ringstruktur) atomer. Förutom denna bindningsgeometri, den relativa "storleken, " eller atomradie, av elementen kan hjälpa till att skilja dem åt. Svavel är relativt sett större än kväve och kol, och kväve är något mindre än kol. Det är denna storlek, eller "höjd, " som AFM är extremt känsliga för.

"Helt enkelt talat, kraften som AFM registrerar i mycket nära anslutning till en atom relaterar till avståndet och därmed till storleken på den atomen; när AFM skannar över en molekyl på en fast höjd, större atomer sticker ut mer ut ur planet, " förklarade Zahl. "Därför, ju större atom i en molekyl, ju större kraft som AFM registrerar när den kommer närmare sitt atomskal, och avstötningen ökar dramatiskt. Det är därför i bilderna svavel visas som en ljus prick, medan kväve ser svagare ut."

Zahl och Zhang jämförde sedan sina experimentbilder med datorsimulerade bilder som de fick med hjälp av den mekaniska probpartikelsimuleringsmetoden. Denna metod simulerar de faktiska krafterna som verkar på CO-molekylen på spetsänden när den skannar över molekyler och böjer sig som svar. De utförde också teoretiska beräkningar för att fastställa hur den elektrostatiska potentialen (laddningsfördelningen) hos molekylerna påverkar den uppmätta kraften och relaterar till deras utseende i nc-AFM-bilderna.

"Vi använde densitetsfunktionsteori för att studera hur krafterna som känns av CO-sondmolekylen beter sig i närvaron av laddningsmiljön som omger molekylerna, ", sade Zahl. "Vi behöver veta hur elektronerna är fördelade för att förstå atomkraften och bindningskontrastmekanismen. Dessa insikter tillåter oss till och med att tilldela enkel- eller dubbelbindningar mellan atomer genom att analysera bilddetaljer."

Går framåt, Zahl kommer att fortsätta att utveckla och förbättra nc-AFM bildbehandlingslägen och relaterade teknologier för att utforska många typer av intressanta, okänd, eller nya molekyler i samarbete med olika användare. Toppkandidatmolekyler av intresse inkluderar de med stora magnetiska moment och speciella spinnegenskaper för kvanttillämpningar och nya grafenliknande (grafen är ett enatomtjockt ark av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter) material med extraordinära elektroniska egenskaper.

"CFN har unika möjligheter och expertis inom nc-AFM som kan tillämpas på ett brett spektrum av molekyler, sade Zahl. Under de kommande åren, Jag tror att artificiell intelligens kommer att ha stor inverkan på fältet genom att hjälpa oss att använda mikroskopet autonomt för att utföra det mest tidskrävande, tråkig, och felbenägna delar av experiment. Med denna speciella kraft, våra chanser att vinna "spelet" kommer att bli mycket förbättrade."