Elektroniniu mikroskopu tiesiogiai stebėtos molekulės transformacijos

„Visai neplanavome fiksuoti nuostabių vaizdų – tikslas buvo cheminės reakcijos“, - sakė F. Fischeris, taip pat dirbantis Kalifornijos universiteto (Berkeley) chemijos profesoriumi. „Norint iš tiesų pamatyti kas vyksta pavienių atomų lygmenyje, mums reikėjo unikalaus jautrumo atominės jėgos mikroskopo, kuris buvo Michaelo Crommie laboratorijoje“. M. Crommie yra to paties Kalifornijos universiteto fizikos profesorius

Pasak F. Fischerio, mikroskopo užfiksuotas vaizdas buvo „stulbinantis“. Netikėtumų mokslininkams pateikė ne tik specifiniai reakcijos rezultatai, bet ir vizualinis reakcijos produktų užfiksavimas. „Iki šiol dar niekas nebuvo tiesiogiai užfiksavęs individualių molekulių vaizdo prieš pat sudėtingą organinės chemijos reakciją ir tučtuojau po jos“, - sakė chemikas.

Netikėtus šalutinius tyrimo rezultatus F. Fischeris aprašė žurnale „Science“, kuris bus išleistas birželio 7 dieną.
Šiuo metu prognozuojama, kad iš grafeno nanostruktūrų bus galima pagaminti tranzistorius, loginius vartus ir kitus itin mažus elektronikos elementus, tačiau iki pradedant praktiškai naudoti šią „stebuklingą medžiagą“, reikia ją išmokti gaminti masiškai ir tiksliai net atominiame lygmenyje. Tokie metodai, kaip pasluoksninis grafito „drožimas“ ar nanovamzdelių išskleidimas, nėra tinkami dėl to, kad jų tikslumas neatitinka reikalavimų.

Todėl F. Fischeris su kolegomis nusprendė grafeno nanostruktūras gaminti nuo smulkiausių elementų – transformuojant linijines anglies grandines į dideles šešiakampiu išsidėsčiusių atomų „paklodes“ (poliaromatinius angliavandenilius) taikant reakciją, kurią pirmasis atliko Kalifornijos universiteto profesorius Robertas Bergmanas. Pirmasis tokio grafeno gamybos metodo reikalavimas – reakcijos atlikimas kontroliuojamomis sąlygomis.

„Tirpale mūsų taikytos reakcijos produktu gali tapti daugiau nei dešimtis junginių, o aprašyti rezultatus būtų sudėtinga. Todėl naudojome ne trimatį tirpalą, o dvimatę sistemą. Mūsų pradinę molekulę – struktūrą, vadinamą, oligo-enedienu, sudarytą iš trijų benzeno žiedų, tarpusavy sujungtų anglies atomais, patalpinome ant sidabrinio paviršiaus, o tuomet sukėlėme reakciją paviršių pakaitindami“, - procesą nupasakojo chemikas.

Chemikų grupė bendradarbiavo su elektroninės mikroskopijos ekspertu M. Crommie, kuris padėjo išgauti geriausią įmanomą vaizdą. Pirmą kartą bandant stebėti reakciją buvo naudojamas skenuojantis tunelinis mikroskopas (STM), kurį priartinus prie tiriamojo paviršiaus milijardinių metro dalių (nanometrų) atstumu galima stebėti elektronines būsenas. Tačiau gautas mažutės molekulės ir jos transformacijos produktų (visų jų skersmuo – maždaug 1 nanometras) vaizdas buvo nepakankamai raiškus, kad būtų galima patikimai identifikuoti molekulių struktūras.

Tuomet mokslininkai nusprendė pasinaudoti elektroninės mikroskopijos metodu, vadinamu nekontaktine atominės jėgos mikroskopija (nc-AFM), kuri zonduoja stebimą objektą aštriu galiuku. Labai priartėjus prie tiriamojo objekto atominės jėgos atstumia zonduojantį galiuką, taigi, jis juda panašiai, kaip patefono galvutė, reaguojanti į vinilinės plokštelės vagelių ypatumus.

„Prie AFM „adatėlės“ galiuko adsorbuota anglies monoksido molekulė palieka vieną deguonies atomą, kuris atlieka zondo vaidmenį. Šį „atominį pirštą“ judinant sidabriniu paviršiumi atliekama kažkas panašaus į Brailio rašto skaitymo procedūrą, tarsi bandytume užčiuopti mažučius atomų lygmens nelygumus“, - procesą nusakė F. Fischeris. Pirmieji objektų stebėjimus AFM mikroskopu atliko IBM laboratorijos Ciuriche (Šveicarija) mokslininkai, vadovaujami Gerhardo Meyerio.

Vieno atomo dydžio nc-AFM adatos galiukas galėjo „apčiuopti“ ne tik individualius atomus, bet ir jėgas, kurios atitinka jungtis, kurias tarp atomų sudarė bendri elektronai. Todėl buvo gauti vaizdai, stebėtinai panašūs į diagramas chemijos vadovėliuose ar chemijos paskaitose ant lentos braižomus paveikslėlius. Tik šiuo atveju nereikia pasikinkyti vaizduotės.

F. Fischeris sakė: „Tai, ką matote yra tai, kas iš tiesų yra – elektronų sąveikos tarp atomų ir netgi tarpatominio ryšio stiprumas. Galima atskirti viengubas, dvigubas ir trigubas jungtis“.

Cheminės jungtys – ne toks paprastas dalykas, kaip gali pasirodyti – tai nėra siūleliai, jungiantys atomus. O pradinės molekulės transformacijos produktai nebuvo tokie, kokių (iš kelių dešimčių galimybių) intuityviai labiausiai tikėjosi mokslininkai. Jiems pavyko gauti dvi skirtingas molekules. Sidabrinis plokščias paviršius ne tik pavertė reakciją matoma, jis taip pat turėjo poveikio reakcijos eigai.

Nc-AFM mikroskopija mokslininkams pateikė stulbinamo grožio vizualinį mechanizmų, lemiančių sintetinės organinės chemijos reakcijų eigą, patvirtinimą, o netikėti rezultatai tik dar labiau sustiprino pasitikėjimą šiuo nauju galingu vaizdinimo metodu, padėsiančiu po vieną atomą surinkti pažangiausius nanometrų mastelio elektroninius įrenginius.

Bet iki tol, kol taikant panašų metodą pavyks pagaminti sudėtingesnes grafito nanostruktūras, „laukia dideli atradimai“, - žada F. Fischeris.