Ett internationellt team av forskare har utvecklat en metod för att bryta och bilda molekylära bindningar genom att applicera spänning på en molekyl med en vass spets som bara är några atomer bred. Kredit:2022 KAUST; Anastasia Serin.
Kemiska reaktioner ger ofta röriga blandningar av olika produkter. Därför lägger kemister mycket tid på att lirka sina reaktioner för att vara mer selektiva för att göra särskilda målmolekyler. Nu har ett internationellt team av forskare uppnått den typen av selektivitet genom att leverera spänningspulser till en enda molekyl genom en otroligt skarp spets.
"Att styra vägen för en kemisk reaktion, beroende på vilka spänningspulser som används, är oöverträffad och mycket lockande för kemister", säger KAUSTs Shadi Fatayer.
Teamet använde ett instrument som kombinerar scanning tunneling microscopy (STM) och atomic force microscopy (AFM). Båda teknikerna kan kartlägga atomernas positioner inom enskilda molekyler med hjälp av en spets som kan vara bara några atomer bred. Men spänningen kan också användas för att bryta bindningar inom en molekyl, vilket potentiellt tillåter nya bindningar att bildas.
"Spetskontrollerade reaktioner har tidigare utförts, men det fanns ingen kontroll över slutprodukten", säger Fatayer. "Selektiviteten är nyckelelementet här – beroende på polariteten och värdet på spänningspulserna kan vi bilda och bryta olika interna bindningar efter behag."
Forskarna använde detta tillvägagångssätt för att studera tetraklorotetracen, en molekyl som innehåller fyra kloratomer fästa vid en rad med fyra hexagonala ringar av kolatomer. Genom att applicera en spänning på cirka 3,5V avlägsnades två kloratomer och fick molekylen att omarrangera. Ökning av spänningen tog bort de återstående kloratomerna, vilket utlöste ytterligare omarrangemang som bildade tre olika produkter.
Den första produkten har fyra hexagonala ringar arrangerade i ett sicksackmönster; den andra har en 10-ledad ring flankerad av två sexledade ringar; och den tredje innehåller en fyrledad ring, en åttaledad ring och två sexledad ring.
Små spänningspulser kan användas för att interkonvertera dessa produkter. Genom att finjustera spänningen kunde forskarna kontrollera vilka bindningar som bröts och vilken omarrangeringsprodukt som bildades.
Genom att kombinera sina resultat med teoretiska beräkningar visade forskarna att metodens selektivitet beror på landskapet av energitillstånd som molekylerna antar när de bär på olika elektriska laddningar, så kallade deras oxidationstillstånd. Eftersom det initiala oxidationstillståndet för en molekyl kan styras av ett elektriskt fält, kan detta tillvägagångssätt hjälpa kemister att designa nya kemiska reaktioner och produkter, säger Fatayer. Denna forskning presenterades på framsidan av Science .
Hans grupp utvecklar nu sätt att lägga till eller ta bort enstaka elektroner till enskilda molekyler, och att applicera spänningspulser på specifika delar av en molekyl för att kontrollera vilken kemisk reaktion som inträffar. + Utforska vidare
