Identifieringen av nya kemiska bindningar är avgörande för utformningen av nya materialstrukturer. Ett team ledd av Jani Kotakoski vid universitetet i Wien och Jannik Meyer vid universitetet i Tübingen har hittat oväntade nya konfigurationer av syre och kväve i grafen. Direkta bilder av de faktiska atomerna och analysen av fynden publicerades i den välrenommerade tidskriften Naturkommunikation .

Livet som vi känner det är baserat på bara en handfull olika typer av atomer (kallade element), bland dem kol, kväve och syre. Det som tillåter livets komplexitet är atomenas förmåga att ansluta till varandra via kemiska bindningar för att bilda större strukturer. Att känna till de möjliga bindningsstrukturerna gör det möjligt för forskare att både förstå livets byggstenar och att designa helt nya strukturer.

Varje typ av atom kan göra ett karakteristiskt antal bindningar beroende på antalet tillgängliga elektroner. Följaktligen, läroböcker i kemi säger att kol kan ha upp till fyra bindningar, kväve upp till tre, och syre endast en eller två. Nu, ett team som leds av Jani Kotakoski vid universitetet i Wien och Jannik Meyer vid universitetet i Tübingen (tidigare universitetet i Wien), har studerat bindningen av ett stort antal kväve- och syreatomer med hjälp av toppmodern sveptransmissionselektronmikroskopi. Detta möjliggjordes genom att bädda in atomerna i det en-atom-tjocka kolmaterialet, grafen.

Kväve- och syreatomer befanns binda till sina grannar i en mängd olika konfigurationer. För det mesta, studien bekräftade lärobokens bild, som nu kunde visas med direkta bilder av faktiska atomer:Kväveatomer var bundna till två eller tre kolatomer, medan de flesta syreatomer hade två kolgrannar. "Det som verkligen förvånade oss, dock, var den extra närvaron av strukturer med syre bundna till tre kolgrannar, säger Christoph Hofer, huvudförfattaren till studien som nyligen publicerades i den berömda tidskriften Naturkommunikation . "Tills nu, undantaget syre med tre bindningar var bara känt i ett ovanligt högladdat tillstånd, kallad oxonium, som är svår att stabilisera, "förklarar han. Detta står i kontrast till den aktuella studien, där strukturerna var anmärkningsvärt stabila vilket möjliggjorde deras avbildning i mikroskopet. Studien avslöjade också en "parad syre"-konfiguration där två syreatomer upptar angränsande platser i grafengittret men inte skapar en bindning. Förutom att ge nya insikter om livets byggstenar, dessa nya bindningskonfigurationer kan också leda till utveckling av nya material.

Övergripande, studien ger en omfattande översikt över de olika bindningskonfigurationerna för kväve och syre, illustreras direkt genom bilder av de enskilda atomerna. Medan lärobokskonceptet för bindning för kol, kväve och syre bekräftades mestadels, dessa gemensamma element kan uppenbarligen fortfarande ge överraskningar efter decennier av studier.