Absorption av ljus initierar många naturliga och artificiella kemiska processer, till exempel fotosyntes i växter, mänsklig syn eller till och med 3D-utskrift. Fram till nu har det verkat omöjligt att kontrollera en ljusdriven kemisk reaktion på atomär skala, där endast en specifik del av en molekyl tas upp.

Vårt internationella team av forskare har hittat en lösning på det problemet genom att använda ljuskoncentrationen i en atomskala volym vid spetsen av en metallisk spets. Vi kunde inducera byte av två väteatomer i en molekyl, en process som kallas tautomerisering, och kontrollera reaktionshastigheten och dess resultat genom att lysa på olika delar av molekylen.

Vår forskning är publicerad i tidskriften Nature Nanotechnology . I framtiden kan denna strategi användas för att syntetisera nya kemiska föreningar med egenskaper kontrollerade med atomär precision.

Synen börjar med retinala molekyler som absorberar ljus som träffar ögat. Energin som skördas från fotoner lagras under en mycket kort tid i molekylen och kan användas för att initiera en kemisk reaktion, i det här fallet isomerisering – en förändring i konfigurationen av atomerna och bindningarna.

De omgivande föreningarna upptäcker denna modifiering av näthinnans form, vilket leder till en kaskad av händelser som så småningom upptäcks av vår hjärna. Andra ljusinducerade kemiska reaktioner är viktiga i mekanismer som fotosyntes i växter eller fotopolymerisation som används i både halvledarindustrin för etsning och 3D-utskrift.

Även om fotoreaktioner spelar en avgörande roll i både naturen och industrin, är det extremt svårt att studera och kontrollera sådana kemiska omvandlingar vid den mest grundläggande enheten, det vill säga en enda molekyl som interagerar med ljus.

I det vanliga fallet kommer ljus att interagera med många molekyler samtidigt eftersom våglängderna för synliga fotoner (400–800 nm) är två storleksordningar större än storleken på en vanlig optiskt aktiv molekyl (1–4 nm). Typisk optisk mikroskopi är inte tillräcklig för att uppnå en sådan precision när det gäller att undersöka interaktionen mellan ljus och materia.

Att övervinna detta problem och kunna leka med en fotokemisk reaktion med subnanometerprecision var målet för vårt internationella team baserat i Frankrike, Tjeckien och Tyskland.

Vi tar itu med detta problem genom att använda förmågan hos mycket skarpa scanning tunneling microscopy (STM) spetsar, med bara en enda atom vid sin spets, för att koncentrera laserljuset ner till subnanometerskalan. Dessa metalliska spetsar fungerar på samma sätt som vanliga radiofrekvensantenner, förutom att de fungerar i optiska frekvenser i det elektromagnetiska spektrumet.