Ett internationellt team av forskare från Donostia International Physics Center, Fritz-Haber Institute of the Max Planck Society, University of Liverpool, och den polska vetenskapsakademin har visat ett nytt sätt att driva en enmolekylär switch genom att applicera en extern kraft.

Det kombinerade experimentella och teoretiska arbetet, publiceras denna vecka i Naturkemi , öppnar en unik förmåga för att studera mekanisk aktivering och bearbetning på enkelmolekylnivå, elementära reaktioner som är involverade i många viktiga biologiska funktioner och är avgörande i molekylära enheter.

Kraften som krävs för att aktivera en ljusströmbrytare på en vägg är liten. Men hur mycket kraft behöver du använda om enheten var på nanoskala? |Det vill säga hur mycket kraft behöver du för att manövrera en "single-molecule switch?" Denna grundläggande fråga är inte bara relaterad till grundläggande vetenskap utan också till potentiella framtida tillämpningar av molekylära enheter.

Forskare vid Donostia International Physics Center, San Sebastian (Baskien, Spanien), Fritz-Haber Institute of the Max Planck Society, Berlin, Tyskland), University of Liverpool, (Storbritannien) och polska vetenskapsakademin, Warszawa (Polen) har lyckats aktivera en "single-molecule switch" på ett kontrollerat sätt med kraften från den atomärt vassa nålen i ett toppmodernt skanningssondmikroskop.

Den experimentella och teoretiska studien, rapporterade idag i den prestigefyllda tidskriften Naturkemi , visar att en intramolekylär väteatomöverföring kan utlösas i en lämplig organisk molekyl adsorberad på en yta genom att föra den vassa metalliska spetsen tillräckligt nära. Reaktionen, kallas tautomerisering, är viktig inom organisk kemi och molekylärbiologi och även ett intressant fenomen för molekylära elektroniska enheter.

Forskarna kunde inte bara kvantifiera kraften som behövdes för att manövrera sin lilla strömbrytare, en porfycenmolekyl på en kopparyta, men avslöjar också att bytet endast kan induceras vid en mycket specifik position av spetsen över molekylen, med en rumslig upplösning av en bråkdel av en kemisk bindningslängd, nämligen cirka 0,00000002 millimeter. Vidare, de visade betydelsen av spetsens "kemiska reaktivitet" i den kraftinducerade processen eftersom molekylen inte kan bytas när nålens spets är dekorerad av en enda xenonatom – ett inert element som saknar den nödvändiga kemiska reaktiviteten.

Takashi Kumagai på FHI-MPG, vem tänkte på denna studie, konstruerade den experimentella uppställningen där en oscillerande nål av en kombinerad atomkraft och scanning tunneling mikroskop närmar sig inom några atomavstånd till molekylen. Växlingen visade sig som ett karakteristiskt särdrag i frekvensförskjutningarna när spetsen närmade sig och bekräftades också av förändringar i atomiska bilder genom att samtidigt skanna spetsen över molekylen. Man mätte att kraften som krävdes var ungefär en nano-Newton, vilket är lite mindre än kraften som behövs för att bryta en typisk kovalent bindning mellan två atomer.

Forskargruppen genomförde också omfattande datorsimuleringar för att klargöra den atomistiska mekanismen bakom den kraftinducerade omkopplingen. Simuleringarna reproducerade framgångsrikt de experimentella resultaten och gav en atomistisk beskrivning av funktionen av den enda molekylomkopplaren. Thomas Frederiksen, Ikerbaskisk forskningsprofessor vid Donostia International Physics Center (DIPC) - UPV/EHU förklarar att "våra beräkningar visade att tautomeriseringen, det är växlingen, sker genom en minskning av dess energiaktiveringsbarriär vid närmande av en metallisk spets. Dock, beteendet förändras dramatiskt med en xenon-terminerad spets och ingen tautomerisering kunde induceras på grund av dess tröghet och mjukhet."

Forskarna betonar att den studerade kraftinducerade reaktionen som involverar förändringar i reaktionsvägen liknar ett elementärt steg i katalytiska processer. Därför, deras resultat ger också en ny strategi för att få en djupare atomistisk insikt i katalytiska reaktioner, leder till en ny kontroll av kemin på atomnivå.