Forskare vid University of Regensburg och Graz University of Technology har visat att väteatomer vid sidorna av molekyler som ligger på en yta kan ses direkt. Studien, publicerad i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , beskriver att genom att titta bredvid molekylerna kunde positionen och närvaron av de tidigare dolda väteatomerna avslöjas.
Väteatomer som ligger vid kanterna av molekyler påverkar många egenskaper hos dessa molekyler, inklusive hur de interagerar med andra molekyler. Vätebindningar är en av de vanligaste formerna av molekylära interaktioner, där en positivt laddad väteatom vid sidan av en molekyl attraheras till en negativ atom i en angränsande molekyl.
Vätebindningar är av stor betydelse inom området för syntes på ytan, där molekyler först absorberas på en yta och sedan reagerar med varandra. Men trots deras betydelse har direkta observationer av dessa små men viktiga atomer varit svårfångade.
För att visualisera sidorna av molekyler använde forskare en specialiserad teknik som härrör från atomkraftsmikroskopi (AFM).
I AFM förs en vass spets nära en yta, och krafterna på spetsen registreras när den rör sig över ytan. Tidigare AFM-experiment fokuserade på den vertikala kraftkomponenten och avslöjade inte väteatomerna vid sidorna av molekyler. För att övervinna denna begränsning använde forskare lateral kraftmikroskopi (LFM), som mäter de horisontella krafterna som utövas på AFM-spetsen.
PD Dr. Alfred J. Weymouth från arbetsgruppen för Prof. Dr. Franz J. Gießibl, innehavare av ordföranden för Quantum Nanoscience vid UR, är en ledande expert inom området LFM. Han lyfte fram dess unika kapacitet och sa:"Trots det faktum att det inte används i stor utsträckning, erbjuder LFM flera fördelar jämfört med konventionell AFM, inklusive exceptionell avståndskänslighet, vilket möjliggör extrahering av fysiska parametrar från en enda bild och förmågan att kvantifiera friktionskrafter genom att föra en enda atom över kemiska bindningar."
Genom att mäta den laterala kraften som utövas på AFM-spetsen vid kanterna av molekylerna, kunde Dr Weymouth och medarbetare direkt visualisera väteatomerna. Rådata från experimenten kunde jämföras direkt med teoretiska beräkningar, vilket ger en djupare förståelse av de atomära interaktionerna som är i spel.
Medan atom-atom-interaktioner ofta modelleras med förenklade avståndsberoende funktioner, avslöjade att jämföra dessa modeller med experimentdata begränsningarna för dessa approximationer, vilket betonade vikten av att införliva ytterligare faktorer i dessa teoretiska ramar. Denna insikt är värdefull för både AFM- och LFM-undersökningar, eftersom den tillåter forskare att förfina sin förståelse av grundläggande atomära interaktioner.
Förmågan att direkt observera väteatomer markerar ett betydande genombrott för forskare, vilket ger ett kraftfullt verktyg för att belysa de invecklade mekanismerna och mellanstegen i kemiska reaktioner på ytan. Detta framsteg har en enorm potential för att accelerera framsteg inom olika områden, inklusive ytkatalys och molekylära interaktioner inom människokroppen.
Utvecklingen av denna nya teknik representerar ett betydande steg framåt i vår förståelse av den mikroskopiska världen och öppnar nya vägar för forskning och innovation. Genom att direkt visualisera beteendet hos väteatomer kan forskare få djupare insikter i de grundläggande processer som styr interaktioner mellan molekyler, vilket banar väg för transformativa framsteg inom olika områden.
Mer information: Shinjae Nam et al, Exploring in-plane interactions bredvid en adsorberad molekyl med lateral force microscopy, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2311059120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Regensburg
