Att titta på enskilda molekyler genom ett mikroskop är en del av nanoteknologernas vardag. Dock, det har hittills varit svårt att observera atomära strukturer inuti organiska molekyler. I den berömda vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev , Juelich-forskare förklarar sin nya metod, vilket gör det möjligt för dem att ta en "röntgenvy" inuti molekyler. Metoden kan underlätta analysen av organiska halvledare och proteiner.

För deras blick in i nanovärlden, Juelich-forskarna använde ett scanningstunnelmikroskop. Dess tunna metallspets skannar provets yta som nålen på en skivspelare och registrerar atomära oregelbundenheter och skillnader på ungefär en nanometer (en miljarddels millimeter) med minimala elektriska strömmar. Dock, även om spetsen på mikroskopet bara har en atoms bredd, den har hittills inte kunnat ta en titt inuti molekyler.

"För att öka känsligheten för organiska molekyler, vi sätter en sensor och signalgivare på spetsen, " säger Dr Ruslan Temirov. Båda funktionerna fylls av en liten molekyl som består av två deuteriumatomer, även kallat tungt väte. Eftersom den hänger från spetsen och kan flyttas, den följer molekylens konturer och påverkar strömmen som flyter från mikroskopets spets. En av de första molekylerna som Temirov och medarbetare studerade var perylentetrakarboxylsyradianhydridföreningen. Den består av 26 kolatomer, åtta väteatomer och sex syreatomer som bildar sju sammankopplade ringar. Tidigare bilder visade bara en fläck med en diameter på cirka en nanometer och utan några konturer. Ungefär som en röntgenbild, Juelich scanning tunneling mikroskop visar molekylens bikakeformade inre struktur, som bildas av ringarna.

"Det är den anmärkningsvärda enkelheten i metoden som gör den så värdefull för framtida forskning, säger Prof. Stefan Tautz, Direktör vid Institutet för bio- och nanosystem vid Forschungszentrum Juelich. Juelich-metoden har ansökts som ett patent och kan enkelt användas med kommersiella scanning tunnelmikroskop. "De rumsliga dimensionerna inuti molekyler kan nu bestämmas inom några minuter, och beredningen av provet baseras huvudsakligen på standardtekniker, " säger Tautz. I nästa steg, Jülich-forskarna planerar att också kalibrera den uppmätta strömintensiteten. Om de lyckas, de uppmätta strömintensiteterna kan göra det möjligt att direkt bestämma typen av atomer.

Efter att ha publicerat inledande bilder producerade med den nya metoden 2008, forskargruppen Tautz och Temirov har nu kunnat förklara den kvantmekaniska principen för deuteriums funktion i spetsen av mikroskopet. Deras resultat stöddes av datorstödda beräkningar av prof. Michael Rohlfings arbetsgrupp vid universitetet i Osnabrück. Den så kallade kortdistans Pauli-repulsionen är en kvantfysisk kraft mellan deuterium och molekylen som modulerar konduktiviteten och gör att vi kan mäta de fina strukturerna mycket känsligt.

Juelich-metoden kan användas för att mäta strukturen och laddningsfördelningen av platta molekyler som kan användas som organiska halvledare eller som en del av snabba och effektiva framtida elektroniska enheter. Stora tredimensionella biomolekyler som proteiner kan undersökas så snart teknikerna har förfinats.