Teamet använde ett högupplöst atomkraftmikroskop (AFM) som arbetade i en kontrollerad miljö vid Princetons Imaging and Analysis Center. AFM-sonden, vars spets slutar i en enda kopparatom, flyttades gradvis närmare järn-kol-bindningen tills den bröts. Forskarna mätte de mekaniska krafterna som applicerades i ögonblicket av brott, som var synlig i en bild som fångats av mikroskopet. Ett team från Princeton University, University of Texas-Austin och ExxonMobil rapporterade resultaten i en artikel publicerad 24 september Naturkommunikation .

"Det är en otrolig bild - att faktiskt kunna se en enda liten molekyl på en yta med en annan bunden till den är fantastiskt, " sa medförfattaren Craig Arnold, Susan Dod Brown professor i maskin- och rymdteknik och chef för Princeton Institute for Science and Technology of Materials (PRISM).

"Det faktum att vi kunde karakterisera just det bandet, både genom att dra i den och trycka på den, gör det möjligt för oss att förstå mycket mer om naturen hos dessa typer av band – deras styrka, hur de interagerar – och detta har alla möjliga konsekvenser, speciellt för katalys, där du har en molekyl på en yta och sedan något interagerar med den och får den att brytas isär, sa Arnold.

Nan Yao, en huvudutredare av studien och chefen för Princetons Imaging and Analysis Center, noterade att experimenten också avslöjade insikter om hur bindningsbrytning påverkar en katalysators interaktion med ytan på vilken den är adsorberad. Att förbättra designen av kemiska katalysatorer har relevans för biokemi, materialvetenskap och energiteknik, tillade Yao, som också är professor i praktiken och seniorforskare i PRISM.

I experimenten, kolatomen var en del av en kolmonoxidmolekyl och järnatomen kom från järnftalocyanin, en vanlig pigment- och kemisk katalysator. Järnftalocyanin är strukturerad som ett symmetriskt kors, med en enda järnatom i mitten av ett komplex av kväve- och kolbaserade anslutna ringar. Järnatomen interagerar med kolet av kolmonoxid, och järnet och kolet delar ett elektronpar i en typ av kovalent bindning som kallas en dativbindning.

Yao och hans kollegor använde AFM-instrumentets sondspets i atomskala för att bryta järn-kolbindningen genom att exakt kontrollera avståndet mellan spetsen och de bundna molekylerna, ner till steg om 5 picometers (5 miljarddelar av en millimeter). Brytningen inträffade när spetsen var 30 picometer ovanför molekylerna – ett avstånd som motsvarar ungefär en sjättedel av en kolatoms bredd. På denna höjd, hälften av järnftalocyaninmolekylen blev suddigare i AFM-bilden, som indikerar brottpunkten för den kemiska bindningen.

Forskarna använde en typ av AFM som kallas icke-kontakt, där mikroskopets spets inte direkt kommer i kontakt med molekylerna som studeras, utan använder istället förändringar i frekvensen av finskaliga vibrationer för att konstruera en bild av molekylernas yta.

Genom att mäta dessa frekvensförskjutningar, forskarna kunde också beräkna kraften som behövdes för att bryta bindningen. En vanlig kopparprobspets bröt järn-kolbindningen med en attraktionskraft på 150 piconewton. Med en annan kolmonoxidmolekyl fäst vid spetsen, bindningen bröts av en repulsiv kraft på 220 piconewton. För att fördjupa sig i grunden för dessa skillnader, teamet använde kvantsimuleringsmetoder för att modellera förändringar i elektrondensiteten under kemiska reaktioner.

Arbetet drar fördel av AFM-teknik som först utvecklades 2009 för att visualisera enkla kemiska bindningar. Den kontrollerade brytningen av en kemisk bindning med hjälp av ett AFM-system har varit mer utmanande än liknande studier om bindningsbildning.

"Det är en stor utmaning att förbättra vår förståelse för hur kemiska reaktioner kan utföras genom atommanipulation, det är, med en spets av ett skannersondmikroskop, sa Leo Gross, som leder forskargruppen Atom and Molecule Manipulation vid IBM Research i Zürich, och var huvudförfattare till 2009 års studie som först löste den kemiska strukturen hos en molekyl av AFM.

Genom att bryta ett visst band med olika spetsar som använder två olika mekanismer, den nya studien bidrar till att "förbättra vår förståelse och kontroll av bindningsklyvning genom atommanipulation. Den lägger till vår verktygslåda för kemi genom atommanipulation och representerar ett steg framåt mot att tillverka designade molekyler med ökande komplexitet, " tillade Gross, som inte var inblandad i studien.

Experimenten är akut känsliga för yttre vibrationer och andra störande faktorer. Imaging and Analysis Centers specialiserade AFM-instrument är inrymt i en högvakuummiljö, och materialen kyls till en temperatur av 4 Kelvin, bara några grader över den absoluta nollpunkten, använda flytande helium. Dessa kontrollerade förhållanden ger exakta mätningar genom att säkerställa att molekylernas energitillstånd och interaktioner endast påverkas av de experimentella manipulationerna.

"Du behöver en mycket bra, rent system eftersom denna reaktion kan vara mycket komplicerad – med så många atomer inblandade, du kanske inte vet vilket band du bryter i så liten skala, " sa Yao. "Designen av detta system förenklade hela processen och klargjorde det okända" genom att bryta en kemisk bindning, han sa.

Studiens huvudförfattare var Pengcheng Chen, en associerad forskare vid PRISM, och Dingxin Fan, en Ph.D. student vid University of Texas-Austin. Förutom Yao, andra motsvarande författare var Yunlong Zhang från ExxonMobil Research and Engineering Company i Annandale, New Jersey, och James R. Chelikowsky, en professor vid UT Austin. Förutom Arnold, andra Princeton-medförfattare var Annabella Selloni, David B. Jones professor i kemi, och Emily Carter, Gerhard R. Andlinger '52 professor i energi och miljö. Andra medförfattare från ExxonMobil var David Dankworth och Steven Rucker.