Nästan lika tydligt som ett läroboksschema, denna bild gjord av ett icke -kontaktat atomkraftmikroskop avslöjar positionerna för enskilda atomer och bindningar, i en molekyl med 26 kolatomer och 14 väteatomer strukturerade som tre sammankopplade bensenringar. Upphovsman:Lawrence Berkeley National Laboratory och University of California i Berkeley
När Felix Fischer från US Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) bestämde sig för att utveckla nanostrukturer gjorda av grafen med hjälp av en ny, kontrollerat tillvägagångssätt för kemiska reaktioner, det första resultatet var en överraskning:spektakulära bilder av enskilda kolatomer och bindningarna mellan dem.
"Vi tänkte inte på att göra vackra bilder; själva reaktionerna var målet, säger Fischer, en personalvetare vid Berkeley Labs Materials Science Division (MSD) och en professor i kemi vid University of California, Berkeley. "Men för att verkligen se vad som hände på en atomnivå måste vi använda ett unikt känsligt atomkraftsmikroskop i Michael Crommies laboratorium." Crommie är en MSD -forskare och professor i fysik vid UC Berkeley.
Vad mikroskopet visade forskarna, säger Fischer, "var fantastiskt." De specifika resultaten av reaktionen var själva oväntade, men de visuella bevisen var ännu mer så. "Ingen har någonsin tagit direkt, enkelbindningsupplösta bilder av enskilda molekyler, strax före och omedelbart efter en komplex organisk reaktion, "Säger Fischer.
Forskarna rapporterar sina resultat den 7 juni, 2013 års utgåva av tidskriften Vetenskap , tillgänglig i förväg Science Express .
Graphene nanostrukturer nedifrån och upp
Grafenananostrukturer kan bilda transistorerna, logiska grindar, och andra delar av utsökt små elektroniska enheter, men för att bli praktiska måste de massproduceras med atomprecision. Träffa eller missa, top-down tekniker, såsom exfolierande grafit eller uppackning av nanorör i kol, kan inte göra jobbet.
Fischer och hans kollegor gav sig ut för att konstruera grafen -nanostrukturer från botten upp, genom att omvandla linjära kedjor av kolatomer till förlängda sexkantiga ark (polyaromatiska kolväten), med hjälp av en reaktion som ursprungligen upptäcktes av UC Berkeley -professorn Robert Bergman. Det första kravet var att utföra reaktionerna under kontrollerade förhållanden.
Den ursprungliga reaktantmolekylen, vilar på en platt silveryta, är avbildad både före och efter reaktionen, som uppstår när temperaturen överstiger 90 grader Celsius. De två vanligaste slutprodukterna av reaktionen visas. Tre-ångströmskalorna (en ångström är en tio miljarddel av en meter) indikerar att reaktanten och produktmolekylerna är ungefär en miljarddels meter över. Upphovsman:Lawrence Berkeley National Laboratory och University of California i Berkeley
"I lösning, mer än ett dussin föreningar kan vara produkterna av reaktionen vi använde, och att karakterisera resultaten skulle vara svårt, "Fischer säger." Istället för en 3D -lösning skapade vi ett 2D -system. Vi sätter vår startmolekyl "-en struktur som kallas oligo-enediyne, består av tre bensenringar kopplade av kolatomer - "på en silveryta, och sedan framkallade reaktioner genom att värma den. "
Fischers grupp samarbetade med mikroskopiexperten Crommie för att utforma bästa möjliga vy. Det första försöket att spåra reaktionerna använde ett skanningstunnelmikroskop (STM), som känner av elektroniska tillstånd när de förs inom några miljarder av en meter (nanometer) från provets yta. Men bildupplösningen för den lilla molekylen och dess produkter - var och en bara ungefär en nanometer över - var inte tillräckligt bra för att på ett tillförlitligt sätt identifiera molekylstrukturerna.
Medarbetarna vände sig sedan till en teknik som kallas noncontact atomic force microscopy (nc-AFM), som sonderar ytan med en skarp spets. Spetsen avböjs mekaniskt av elektroniska krafter mycket nära provet, rör sig som en fonografnål i ett spår.
"En kolmonoxidmolekyl adsorberad på spetsen av AFM -nålen lämnar en enda syreatom som sonden, "Fischer förklarar." Att flytta detta "atomfinger" fram och tillbaka över silverytan är som att läsa punktskrift, som om vi kände de små stötar i atomskala som gjordes av atomerna. "Fischer noterar att AFM-avbildning med hög upplösning först utfördes av Gerhard Meyers grupp på IBM Zurich, "men här använder vi det för att förstå resultaten av en grundläggande kemisk reaktion."
Single-atomspetsen av det icke-kontaktade atomkraftmikroskopet "känner" förändringar i styrkan hos elektroniska krafter när det rör sig över ytan på en konstant höjd. Resulterande rörelser av pennan detekteras av en laserstråle för att beräkna bilder. Upphovsman:Lawrence Berkeley National Laboratory och University of California i Berkeley
Nc-AFM:s rörliga finger med en atom kunde inte bara känna de enskilda atomerna utan krafterna som representerar bindningarna som bildas av elektronerna som delas mellan dem. De resulterande bilderna liknade en häpnadsväckande likhet med diagram från en lärobok eller på svarta tavlan, brukade undervisa i kemi, förutom här krävs ingen fantasi.
Säger Fischer, "Det du ser är vad du har - effekterna av elektronkrafterna bland atomerna, och till och med obligationsordern. Du kan skilja singel, dubbel, och trippelbindningar. "
En kemisk bindning är inte ett så enkelt begrepp som det kan se ut, dock. Från dussintals möjligheter, startmolekylens reaktion gav inte det som intuitivt tycktes Fischer och hans kollegor de mest troliga produkterna. Istället, reaktionen gav två olika molekyler. Den platta silverytan hade gjort reaktionen synlig men också format den på oväntade sätt.
Nc-AFM-mikroskopin gav en slående visuell bekräftelse av de mekanismer som ligger till grund för dessa syntetiska organiska kemiska reaktioner, och de oväntade resultaten förstärkte löftet om denna kraftfulla nya metod för att bygga avancerade nanoskala elektroniska enheter nedifrån och upp.
Innan mycket mer komplexa grafitiska nanostrukturer kan bero på detta unika tillvägagångssätt, säger Fischer, "Stora upptäckter väntar."
