(Phys.org) – Rice University forskare har funnit att de kan kontrollera bindningarna mellan atomer i en molekyl.

Molekylen i fråga är kol-60, även känd som buckminsterfulleren och buckyball, upptäcktes vid Rice 1985. Forskarna ledda av Rice-fysikerna Yajing Li och Douglas Natelson fann att det är möjligt att mjuka upp bindningarna mellan atomer genom att applicera en spänning och köra en elektrisk ström genom en enda buckyball.

Forskarna berättade om sin upptäckt denna vecka på nätet Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Detta betyder inte att vi godtyckligt kommer att kunna ringa runt styrkan på material eller något liknande, ", sa Natelson. "Detta är ett mycket specifikt fall, och även här var det något av en överraskning att se detta pågå.

"Men generellt, om vi kan manipulera laddningsfördelningen på molekyler, vi kan påverka deras vibrationer. Vi kan börja tänka, i framtiden, om att kontrollera saker på ett bättre sätt."

Effekten uppträder när en buckyball fäster på en guldyta i den optiska nanoantenn som används för att mäta effekterna av en elektrisk ström på intermolekylära bindningar genom en teknik som kallas Raman-spektroskopi.

Natelsons grupp byggde nanoantennen för några år sedan för att fånga ett litet antal molekyler i en nanoskala mellan guldelektroder. När molekylerna väl är på plats, forskarna kan kyla dem, värm dem, spräng dem med energi från en laser eller elektrisk ström och mät effekten genom spektroskopi, som samlar information från frekvenserna av ljus som sänds ut av föremålet av intresse.

Med fortsatt förfining, forskarna fann att de kunde analysera molekylära vibrationer och bindningarna mellan atomerna i molekylen. Den förmågan ledde till detta experiment, sa Natelson.

Natelson jämförde de karakteristiska vibrationsfrekvenserna som bindningarna uppvisar med hur en gitarrsträng vibrerar vid en specifik frekvens baserat på hur hårt den är lindad. Lossa strängen och vibrationen minskar och tonen sjunker.

Nanoantennen kan detektera "tonen" av avstämda vibrationer mellan atomer genom ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS), en teknik som förbättrar avläsningarna från molekyler när de är fästa på en metallyta. Genom att isolera en buckyball i gapet mellan guldelektroderna kan forskarna spåra vibrationer genom den optiska responsen som ses via SERS.

När en buckyball fäster på en guldyta, dess inre bindningar genomgår en subtil förändring när elektronerna vid korsningen omarrangerar sig för att hitta sina lägsta energitillstånd. Risexperimentet fann att vibrationerna i alla bindningar sjönk så lite i frekvens för att kompensera.

"Tänk på dessa molekyler som kulor och fjädrar, ", sa Natelson. "Atomerna är kulorna och bindningarna som håller ihop dem är fjädrarna. Om jag har en samling kulor och fjädrar och jag smäller till den, det skulle visa vissa vibrationslägen.

"När vi trycker ström genom molekylen, vi ser dessa vibrationer slå på och börja skaka, " sa Natelson. "Men vi hittade, förvånande, att vibrationerna i buckyballs blir mjukare, och med ett betydande belopp. Det är som om fjädrarna blir floppigare vid höga spänningar i just det här systemet." Effekten är reversibel; stäng av juicen och buckyballen går tillbaka till det normala, han sa.

Forskarna använde en kombination av experiment och sofistikerade teoretiska beräkningar för att motbevisa en tidig misstanke om att den välkända vibrationseffekten Stark var ansvarig för skiftet. Stark-effekten ses när molekylernas spektrala svar skiftar under påverkan av ett elektriskt fält. Molecular Foundry, en Department of Energy User Facility vid Lawrence Berkeley National Laboratory, samarbetade kring beräkningskomponenten.

Natelsons grupp hade spionerat liknande effekter på oligofenylenvinylenmolekyler som använts i tidigare experiment, som också föranledde buckyball-experimenten. "För några år sedan såg vi antydningar av vibrationsenergier som rörde sig, men inget så rent eller så systematiskt. Det verkar som att C-60 är lite speciell när det gäller var den sitter energiskt, " han sa.

Upptäckten av buckyballs, som fick ett Nobelpris för två risprofessorer, kickstartade nanoteknikrevolutionen. "De har studerats mycket väl och de är mycket kemiskt stabila, " Natelson sa om de fotbollsbollformade molekylerna. "Vi vet hur man sätter dem på ytor, vad du kan göra med dem och få dem fortfarande att vara intakta. Det här är allt väl förstått." Han noterade att andra forskare tittar på liknande effekter genom molekylär manipulation av grafen, den enatomära formen av kol.

"Jag vill inte göra några stora påståenden om att vi har en generell metod för att justera molekylbindningen i allt, ", sa Natelson. "Men om du vill att kemin ska ske på ett ställe, kanske du vill göra det bandet riktigt svagt, eller åtminstone göra det svagare än det var.

"Det finns ett länge eftersträvat mål av vissa i kemisamhället att få exakt kontroll över var och när bindningar går sönder. De vill specifikt driva vissa bindningar, se till att vissa band blir upphetsade, se till att vissa går sönder. Vi erbjuder sätt att tänka på att göra det."