(Phys.org) —IBM -forskare har kunnat differentiera de kemiska bindningarna i enskilda molekyler för första gången med hjälp av en teknik som kallas noncontact atomic force microscopy (AFM).

Resultaten driver utforskningen av att använda molekyler och atomer i minsta skala och kan vara viktigt för att studera grafenenheter, som för närvarande utforskas av både industri och akademi för applikationer inklusive trådlös kommunikation med hög bandbredd och elektroniska skärmar.

"Vi hittade två olika kontrastmekanismer för att skilja obligationer. Den första är baserad på små skillnader i kraften som mäts ovanför bindningarna. Vi förväntade oss denna typ av kontrast men det var en utmaning att lösa, "sa IBM -forskaren Leo Gross." Den andra kontrastmekanismen kom verkligen som en överraskning:Obligationer dök upp med olika längder i AFM -mätningar. Med hjälp av ab initio -beräkningar fann vi att kolmonoxidmolekylens lutning vid spetsspetsen är orsaken till denna kontrast. "

Som rapporterats i omslagsberättelsen för 14 september -numret av Vetenskap tidskrift, IBM Research -forskare avbildade bindningsordningen och längden på individuella kol kolbindningar i C ₆₀ , även känd som en buckyball för sin fotbollsform och två plana polycykliska aromatiska kolväten (PAH), som liknar små flingor av grafen. PAH syntetiserades av Centro de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CIQUS) vid Universidade de Santiago de Compostela och Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i Toulouse.

De individuella bindningarna mellan kolatomer i sådana molekyler skiljer sig subtilt i längd och styrka. All viktig kemikalie, elektronisk, och optiska egenskaper hos sådana molekyler är relaterade till skillnaderna i bindningar i de polyaromatiska systemen. Nu, för första gången, dessa skillnader detekterades för både enskilda molekyler och bindningar. Detta kan öka den grundläggande förståelsen på nivån för enskilda molekyler, viktigt för forskning om nya elektroniska enheter, organiska solceller, och organiska ljusemitterande dioder (OLED). Särskilt, avslappning av bindningar kring defekter i grafen samt förändring av bindningar i kemiska reaktioner och i upphetsade tillstånd kan eventuellt studeras.

Som i deras tidigare forskning " Den kemiska strukturen för en molekyl som lösts med Atomic Force -mikroskopi "IBM -forskarna använde ett atomkraftmikroskop (AFM) med en spets som avslutas med en enda kolmonoxidmolekyl. Denna spets oscillerar med en liten amplitud ovanför provet för att mäta krafterna mellan spetsen och provet, som en molekyl, för att skapa en bild. Spetsens CO -avslutning fungerar som ett kraftfullt förstoringsglas för att avslöja molekylens atomstruktur, inklusive dess obligationer. Detta gjorde det möjligt att skilja enskilda bindningar som endast skiljer sig med 3 pikometrar eller 3 × 10- ¹² m, som är ungefär en hundradel av en atoms diameter.

I tidigare forskning lyckades teamet avbilda den molekylära kemiska strukturen, men inte de subtila skillnaderna i bindningarna. Diskriminerande bindningsordning ligger nära teknikens nuvarande upplösningsgräns och ofta döljer andra effekter kontrasten relaterad till bindningsordning. Därför var forskarna tvungna att välja och syntetisera molekyler där störande bakgrundseffekter kunde uteslutas.

To corroborate the experimental findings and gain further insight into the exact nature of the contrast mechanisms, the team performed first-principles density functional theory calculations. Thereby they calculated the tilting of the CO molecule at the tip apex that occurs during imaging. They found how this tilting yields a magnification and the very sharp images of the bonds.