För sina experiment använde IBM-forskarna sitt hembyggda kombinerade skanningstunnelmikroskop (STM) och atomkraftmikroskop (AFM). I denna fokuserade jonstråle mikroskop, spetsen fäst vid en stämgaffel kan ses. Stämgaffeln mäter några millimeter i längd. Den lilla spetsen mäter bara en enda atom eller molekyl vid toppen.
(PhysOrg.com) - IBM -forskare kunde för första gången mäta hur laddning fördelas inom en enda molekyl. Denna prestation kommer att möjliggöra grundläggande vetenskapliga insikter om enmolekylär växling och bindningsbildning mellan atomer och molekyler. Vidare, det introducerar möjligheten att avbilda laddningsfördelningen inom funktionella molekylära strukturer, som har stort löfte för framtida applikationer som solfotokonvertering, energilagring, eller beräkningsanordningar i molekylär skala.
Som det står i tidningen Naturnanoteknik , forskarna Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll och Gerhard Meyer från IBM Research - Zürich avbildade direkt laddningsfördelningen i en enda naftalocyaninmolekyl med hjälp av en speciell typ av atomkraftsmikroskopi som kallas Kelvin probkraftmikroskopi vid låga temperaturer och i ultrahögt vakuum.
Medan skanningstunnelmikroskopi (STM) kan användas för avbildning av elektronorbitaler i en molekyl, och atomkraftsmikroskopi (AFM) kan användas för att lösa dess molekylära struktur, hittills har det inte varit möjligt att avbilda laddningsfördelningen inom en enda molekyl.
"Detta arbete visar en viktig ny förmåga att direkt kunna mäta hur laddning ordnar sig inom en enskild molekyl", säger Michael Crommie, Professor för kondenserad materiefysik vid University of Berkeley. ”Att förstå denna typ av laddningsfördelning är avgörande för att förstå hur molekyler fungerar i olika miljöer. Jag förväntar mig att denna teknik kommer att ha en särskilt viktig framtida inverkan på de många områden där fysik, kemi, och biologin skär varandra. ”
Faktiskt, den nya tekniken tillsammans med STM och AFM ger kompletterande information om molekylen, visar olika egenskaper av intresse. Detta påminner om medicinska bildtekniker som röntgen, MR, eller ultraljud, som ger kompletterande information om en persons anatomi och hälsotillstånd.
”Tekniken ger en annan informationskanal som kommer att öka vår förståelse av nanoskala fysik. Det kommer nu att vara möjligt att på enmolekylnivå undersöka hur laddning omfördelas när enskilda kemiska bindningar bildas mellan atomer och molekyler på ytor. Detta är viktigt när vi försöker bygga atom- och molekylskala enheter, ”Förklarar Fabian Mohn från gruppen Physics of Nanoscale Systems på IBM Research - Zürich.
Schematisk över mätprincipen. Vid varje spetsposition, frekvensförskjutningen registreras som en funktion av samplingsspänningen (infälld, röda cirklar). Maximal för den monterade parabolen (infälld, fast svart linje) ger KPFM -signalen V* för den positionen. Bild med tillstånd av IBM Research - Zürich
Tekniken kan till exempel användas för att studera laddningsseparation och laddtransport i så kallade laddningsoverföringskomplex. Dessa består av två eller flera molekyler och är föremål för intensiv forskningsaktivitet eftersom de har stora löften för applikationer som energilagring eller solceller.
Gerhard Meyer, en senior IBM -forskare som leder STM- och AFM -forskningsverksamheten vid IBM Research - Zürich tillägger:”Det nuvarande arbetet markerar ett viktigt steg i vårt långsiktiga arbete med att kontrollera och utforska molekylära system i atomskala med skanningprobmikroskopi.” För hans enastående arbete på området, Meyer fick nyligen ett European Research Council Advanced Grant. Dessa prestigefyllda bidrag stödjer ”de allra bästa forskarna som arbetar vid kunskapsgränserna” i Europa.*
Ta en närmare titt
För att mäta avgiftsfördelningen, IBM -forskare använde en avkomma till AFM som kallas Kelvin probe force microscopy (KPFM).
Kelvin sondkraftmikroskopi bilder av tautomeriseringsomkopplingen av naftalocyanin. Det är första gången som laddningsfördelningen inom en enda molekyl kan lösas. När en skanningsprobespets placeras ovanför ett ledande prov, ett elektriskt fält genereras på grund av spetsens och provets olika elektriska potentialer. Med KPFM kan denna potentialskillnad mätas genom att applicera en spänning så att det elektriska fältet kompenseras. Därför, KPFM mäter inte den elektriska laddningen i molekylen direkt, utan snarare det elektriska fältet som genereras av denna laddning. Fältet är starkare över områden i molekylen som är laddade, vilket leder till en större KPFM -signal. Vidare, motsatt laddade områden ger en annan kontrast eftersom det elektriska fältets riktning är omvänd. Detta leder till de ljusa och mörka områdena i mikroskopet. Bild med tillstånd av IBM Research - Zürich
När en skanningsprobespets placeras ovanför ett ledande prov, ett elektriskt fält genereras på grund av spetsens och provets olika elektriska potentialer. Med KPFM kan denna potentialskillnad mätas genom att applicera en spänning så att det elektriska fältet kompenseras. Därför, KPFM mäter inte den elektriska laddningen i molekylen direkt, utan snarare det elektriska fältet som genereras av denna laddning. Fältet är starkare över områden i molekylen som är laddade, vilket leder till en större KPFM -signal. Vidare, motsatt laddade områden ger en annan kontrast eftersom det elektriska fältets riktning är omvänd. Detta leder till de ljusa och mörka områdena i mikroskopet (eller röda och blå områden i färgade).
Asymmetri i Kelvin -sondens kraftmikroskopibilder av tautomeriseringsomkopplingen av naftalocyanin. Det är första gången som laddningsfördelningen inom en enda molekyl kan lösas. När en skanningsprobespets placeras ovanför ett ledande prov, ett elektriskt fält genereras på grund av spetsens och provets olika elektriska potentialer. Med KPFM kan denna potentialskillnad mätas genom att applicera en spänning så att det elektriska fältet kompenseras. Därför, KPFM mäter inte den elektriska laddningen i molekylen direkt, utan snarare det elektriska fältet som genereras av denna laddning. Fältet är starkare över områden i molekylen som är laddade, vilket leder till en större KPFM -signal. Vidare, motsatt laddade områden ger en annan kontrast eftersom det elektriska fältets riktning är omvänd. Detta leder till de röda och blå områdena i mikroskopet. Bild med tillstånd av IBM Research - Zürich
Naftalocyanin, en korsformad symmetrisk organisk molekyl som också användes i IBM:s enmolekylära logikomkopplare **, befanns vara en idealisk kandidat för denna studie. Den har två väteatomer som motsätter sig varandra i mitten av en molekyl som bara mäter två nanometer. Väteatomerna kan växlas kontrollerbart mellan två olika konfigurationer genom att applicera en spänningspuls. Denna så kallade tautomerisering påverkar laddningsfördelningen i molekylen, som omfördelar sig mellan motsatta ben på molekylerna när väteatomerna byter plats.
Med KPFM, forskarna lyckades föreställa sig de olika laddningsfördelningarna för de två staterna. För att uppnå submolekylär upplösning, en hög grad av termisk och mekanisk stabilitet och atomprecision för instrumentet krävdes under experimentets gång, som varade flera dagar. Dessutom, tillsats av en enda kolmonoxidmolekyl till spetsens spets förbättrade upplösningen kraftigt. År 2009, laget har redan visat att denna modifiering av spetsen gav dem möjlighet att lösa "anatomi" - de kemiska strukturerna - för molekyler med AFM. De nuvarande experimentella fynden bekräftades av första principiella densitetsfunktionella teoriberäkningar gjorda av Fabian Mohn tillsammans med Nikolaj Moll från Computational Sciences-gruppen vid IBM Research-Zürich.
Driva gränserna för nanovetenskap med skanningssondtekniker
”Med framväxten av skanningsmikroskopi och relaterade tekniker på 1980 -talet, dörren till nanoworlden öppnades vidöppen, ”Stod den inledande artikeln i den första upplagan av Nature Nanotechnology 2006 ***.
STM och dess avkommor AFM är de två arbetshästarna för atomforskning och molekylär forskning. STM, som uppfanns av Gerd Binnig och Heinrich Rohrer vid IBM Research - Zürich 1981, tillät forskare för första gången att avbilda enskilda atomer på en yta. Det revolutionära mikroskopet, för vilka de två forskarna fick Nobelpriset i fysik 1986, har utvidgat gränserna för vår kunskap genom att avslöja egenskaperna hos ytor och molekyler eller atomer adsorberade därpå med atomupplösning.
STM, dock, är inte ett traditionellt mikroskop. Istället för att visa en direkt bild, den använder en mycket skarp spets - med bara en eller några atomer vid toppen - för att skanna materialets yta. Genom att föra spetsen mycket nära provytan och applicera en förspänning, ett strömflöde kan mätas mellan spetsen och provet på grund av den kvantmekaniska effekten av elektrontunnel. Att hålla denna tunnelström konstant och registrera spetsens vertikala rörelse över ytan gör det möjligt att studera ytans struktur, atom för atom. Se videodemonstration
STM kan till och med användas för att manipulera enskilda atomer och molekyler. 1989, IBM-forskaren Don Eigler i ett berömt experiment använde sin nyutvecklade lågtemperatur-STM för att placera 35 xenonatomer för att stava "IBM". Se videodemonstration
1985, AFM uppfanns av Gerd Binnig. Istället för att mäta en tunnelström, AFM använder en skarp spets fäst vid en fribärare för att mäta de små krafterna mellan spetsen och provet för att skapa en bild. Se videodemonstration
När STM och AFM utvecklades, deras förmågor och relaterade skanningssondtekniker har kraftigt förbättrat forskarnas förmåga att utforska en mängd olika strukturer och egenskaper i atomskala. De erbjuder fantastisk potential för prototyper av komplexa funktionella strukturer och för att skräddarsy och studera deras elektroniska och kemiska egenskaper på atomskala, som kommer att vara avgörande för att skapa nya nanoskala enheter och system som kommer att överträffa de som finns idag inom informationsteknik, medicin, miljöteknik, energibranschen och därefter.
