Μοναδικά πορτρέτα μορίων πριν και μετά τη χημική αντίδραση

Oι φωτογραφίες μιας αντίδρασης με ένα μικρoσκόπιο ρεύματος σήραγγας ακίδας (STM), στο κέντρο οι νέες φωτογραφίες με το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης nc-AFM και κάτω κλασικά διαγράμματα μοριακής δομής
 (Πηγή Felix Fischer and Michael Crommie, UC Berkeley)

Για πρώτη φορά οι επιστήμονες κατόρθωσαν να φωτογραφίσουν τα μόρια μιας χημικής ουσίας ακριβώς προτού αυτά αντιδράσουν μεταξύ τους καθώς και αμέσως μετά την αντίδραση. Το «στιγμιότυπο», το οποίο όπως αναφέρεται στο σχετικό δελτίο Τύπου, αποτελεί «το όνειρο κάθε χημικού», επετεύχθη χάρη σε μια νέα τεχνική που ανέπτυξαν χημικοί και φυσικοί του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ.

Χρησιμοποιώντας ένα εξελιγμένο μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (Non-contact atomic force microscope, εν συντομία nc-AFM) οι ερευνητές κατόρθωσαν να «συλλάβουν» κάθε άτομο ξεχωριστά καθώς και τους δεσμούς που σχηματίζονται μεταξύ των ατόμων, απεικονίζοντας ευκρινώς πώς αλλάζει η δομή ενός μορίου κατά της διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης. Μέχρι τώρα οι επιστήμονες μπορούσαν να εξαγάγουν πληροφορίες αυτού του είδους μόνο μέσω της φασματοσκοπικής ανάλυσης – ποτέ κάποιος δεν τις είχε αποτυπώσει άμεσα «εν δράσει».

Ένα όνειρο βγαίνει αληθινό

«Αν και χειρίζομαι αυτές τις αντιδράσεις σε καθημερινή βάση, το γεγονός ότι μπορώ πραγματικά να δω αυτές τις εικόνες με αφήνει άναυδο» σχολίασε ο Φίλιξ Φίσερ, επίκουρος καθηγητής Χημείας στο πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϊ. «Αυτό ήταν κάτι που οι δάσκαλοί μου έλεγαν ότι δυστυχώς δεν θα μπορέσουμε να δούμε ποτέ, και να που τώρα το βλέπουμε».

Η δυνατότητα απεικόνισης μοριακών αντιδράσεων κατ’ αυτόν τον τρόπο πέραν της εκπλήρωσης ενός ονείρου θα βοηθήσει ιδιαίτερα όχι μόνο τους φοιτητές Χημείας αλλά και τους ερευνητές που προσπαθούν να αναπτύξουν νέες δομές και υλικά – όπως π.χ. οι νανοδομές από γραφένιο.

«Το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης μας δίνει νέες πληροφορίες σχετικά με τον χημικό δεσμό, κάτι το οποίο είναι απίστευτα χρήσιμο για την κατανόηση του πώς οι διάφορες μοριακές δομές συνδέονται μεταξύ τους και πώς εμείς μπορούμε να τις μετατρέψουμε από ένα σχήμα σε ένα άλλο» εξήγησε ο έτερος επικεφαλής της μελέτης, Μάικλ Κρόμι, καθηγητής Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϊ. «Αυτό θα μας βοηθήσει να δημιουργήσουμε νέες νανοδομές, όπως δίκτυα ατόμων με δεσμούς μεταξύ τους τα οποία θα έχουν συγκεκριμένο σχήμα και δομή ώστε να χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρονικές συσκευές. Ανοίγει τον δρόμο προς τα εμπρός».

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Science».

Πηγή : in.gr

Όραση στα άκρα : Ανατομία ενός μορίου



        Το μόριο του πεντακένιου όπως κανείς δεν το έχει
        ξαναδεί.

       Τα σκούρα εξάγωνα αντιστοιχούν σε δακτύλιους
       άνθρακα



Ερευνητές της IBM κατάφεραν να απεικονίσουν με πρωτοφανή ακρίβεια τη χημική δομή ενός μορίου. Στις εικόνες που έδωσε το βελτιωμένο "μικροσκόπιο ατομικής δύναμης" (AFM) διακρίνονται πεντακάθαρα οι θέσεις των ατόμων.

Η έρευνα, που δημοσιεύεται στο περιοδικό Science, ωθεί τις τεχνολογίες μικροσκοπίας στα άκρα και υπόσχεται να βοηθήσει σημαντικά τη βιομηχανία νανοτεχνολογίας, η οποία αναπτύσσει υλικά και συσκευές μεγέθους λίγων εκατομμυριοστών του χιλιοστού.

Περίπου όπως οι ακτίνες Χ διαπερνούν το σώμα και δίνουν εικόνες της εσωτερικής ανατομίας, το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης μπορεί τώρα να βλέπει "μέσα" από τα νέφη ηλεκτρονίων που περιβάλλουν τα μόρια για να απεικονίζει την ατομική ραχοκοκαλιά τους.

Το δείγμα που εξετάστηκε σε αυτή την περίπτωση ήταν το πεντακένιο, ένα μακρόστενο μόριο μήκους 1,4 νανομέτρων (δισεκατομμυριοστών του μέτρου) αποτελούμενο από 22 άτομα άνθρακα και 12 άτομα υδρογόνου.

Στις εικόνες διακρίνονται εξάγωνα σχήματα που αντιστοιχούν στους πέντε δακτύλιους άνθρακα που υπάρχουν στο πεντακένιο. Ακόμα και οι θέσεις των ατόμων υδρογόνου (των μικρότερων  ατόμων που υπάρχουν) μπορούν να υπολογιστούν με βάση την εικόνα.

Το AFM βασίζεται σε μια μικροσκοπική μεταλλική ακίδα που πλησιάζει το δείγμα σε πολύ μικρή απόσταση και μετρά τις δυνάμεις που αναπτύσσονται ανάμεσα στην ακίδα και το δείγμα.

Για να αυξήσουν την ανάλυση του συστήματος, οι ερευνητές χρειάστηκε να σταθεροποιήσουν το μικροσκόπιο και κυρίως να τελειοποιήσουν το σχήμα της ακίδας και την τροποποίησαν χημικά, ώστε να μπορεί να πλησιάσει ακόμα περισσότερο το δείγμα, σε απόσταση μόλις ενός νανομέτρου, χωρίς να κολλήσει πάνω του.

Το AFM λειτούργησε σε συνθήκες κενού και θερμοκρασίας –268 βαθμών Κελσίου, κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το AFM για να μετρήσουν τα ηλεκτρικά φορτία ατόμων – η κατανόηση της μεταφοράς φορτίων σε ατομικό επίπεδο έχει κρίσιμη σημασία για τις νανοσυσκευές που θα διαδεχθούν τα σημερινά τσιπ υπολογιστών.