Podívejte se na první „anatomii“ molekuly

• | Tisk |

Podrobnosti

Vytvořeno 03. září 2009

Napsal Redakce

Výzkumníkům společnosti IBM se podařilo zobrazit „anatomii“, neboli chemickou strukturu molekuly s bezprecedentním rozlišením pomocí komplexní techniky zvané nekontaktní mikroskopie atomárních sil (AFM).

Výsledky posouvají výzkum využití molekul a atomů v nejmenším měřítku a mohly by výrazně ovlivnit oblast nanotechnologií, u které jde o pochopení a ovládání těch nejmenších objektů známých lidstvu.


„I když to není přesné přirovnání, představte si, jak lékaři pomocí rentgenu zobrazují kosti a orgány v lidském těle, my pomocí mikroskopu atomárních sil zobrazujeme atomové struktury, které jsou páteří jednotlivých molekul,“ řekl výzkumník IBM Gerhard Meyer. „Techniky skenovací sondy skýtají ohromný potenciál pro prototypování komplexních funkčních struktur a pro přizpůsobení a studium elektronických a chemických vlastností v atomovém měřítku.“

Zobrazení jednotlivých atomů v molekule bylo dlouholetým cílem povrchové mikroskopie

Tyto průlomové výsledky otevřou nové možnosti pro zkoumání přenosu náboje mezi molekulami a molekulárními sítěmi. Porozumět rozložení náboje v měřítku atomů je nezbytné pro výrobu menších, rychlejších a energeticky účinnějších počítačových součástek než jsou dnešní procesory a paměťová zařízení. Tyto součástky by jednoho dne mohly přispět k realizaci vize IBM o chytřejší planetě, neboť pomohou fyzický svět vybavit čidly a propojit ho.

Hrot, který rozhodl o měřítku

AFM využívá ostrý kovový hrot k měření nepatrné síly mezi hrotem a vzorkem, například molekulou, čímž vytváří obraz. Molekulou zkoumanou v tomto experimentu byl pentacen. Pentacen je obdélníková organická molekula tvořená 22 atomy uhlíku a 14 atomy vodíku, na délku měří 1,4 nanometru. Sousedící atomy uhlíku jsou od sebe vzdáleny jen 0,14 nanometru – což je zhruba miliónkrát menší vzdálenost než průměr zrnka písku. Na experimentálním snímku jsou jasně vykresleny šestiúhelníkové tvary pěti uhlíkových prstenců i atomy uhlíku v molekule. Z obrázku lze odvodit i pozice vodíkových atomů v molekule.

Pro zobrazení chemické struktury molekuly metodou AFM je nutné pracovat velice blízko u molekuly. Rozsah, kde chemické interakce výrazně přispívají k silám, je menší než nanometr. Proto vědci museli zvýšit citlivost hrotu a překonat zásadní omezení: podobně jako se dva magnety v blízkosti přitahují nebo odpuzují, molekuly by snadno mohly být vytlačeny nebo naopak přichyceny k hrotu, kdyby se hrot přiblížil příliš, což by znemožnilo další měření.

Vědcům se navíc podařilo odvodit celou trojrozměrnou mapu sil ve zkoumané molekule.


Vědec IBM Nikolaj Moll provedl výpočty zkoumaného systému z prvních principů založené na teorii funkcionálu hustoty. Vysvětluje: „Výpočty nám pomohly pochopit, co způsobilo atomový kontrast. Zjistili jsme, že jeho zdrojem je Pauliho repulze mezi CO a molekulou pentacenu.“ Tato odpudivá síla je způsobena efektem z kvantové mechaniky, který se nazývá Pauliho vylučovací princip. Ten uvádí, že dva identické elektrony se k sobě nemohou přiblížit příliš blízko.

 

IBM a nanotechnologie

Vědci se už dlouho pokoušejí „vidět“ a manipulovat s atomy a molekulami, aby rozšířili lidské poznání a posunuli hranice výrobních možností do nanometrické sféry. IBM je průkopníkem nanověd a nanotechnologií už od doby, co IBM Fellows Gerd Binnig a Heinrich Rohrer v curyšské laboratoři IBM Research v roce 1981 vyvinuli skenovací tunelový mikroskop. Za tento objev, který umožnil zobrazovat jednotlivé atomy a později s nimi také manipulovat, získali Binnig a Rohrer v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku.

Zdroj: Tisková zpráva, Zurich, Switzerland - 28 Aug 2009: IBM (NYSE: IBM) scientists have been able to image the “anatomy” -- or chemical structure -- inside a molecule with unprecedented resolution, using a complex technique known as noncontact atomic force microscopy.