IBM en Warwick Wetenschappers Vangen Eerste Hoge-Resolutie Beeld van Triangulene, een Hoog Reactieve Driehoekige Molecuul

Triangulene krijgt zijn eerste close-up dankzij IBM en Universiteit van Warwick onderzoekers.

De April 2017 Volume 12 No 4 van Nature Nanotechnology. Image credit Niko Pavlicek, IBM Research. Cover ontwerp: Bethany Vukomanovic

Vandaag gepubliceerd in Nature Nanotechnology, maken IBM wetenschappers het onzichtbare zichtbaar.

Enkele weken geleden publiceerde IBM zijn jaarlijkse vijf voorspellingen voor de komende vijf jaar. Nu voegen onderzoekers in Zürich een zesde voorspelling toe: het vermogen om de kleinste bekende moleculen te imageren en manipuleren met ongekende precisie.

Traditioneel worden moleculen zoals pentaceen, olympicene, hexabenzocoroneen en cefalandole A afgebeeld met 2D stokmodellen. Dankzij een microscopie methode geïntroduceerd door IBM in 2009, kunnen wetenschappers wereldwijd nu deze structuren in opmerkelijke detail vastleggen, soms voor de eerste keer decennia na hun theoretische voorstel.

"Individuele moleculen op zo'n hoge resolutie zien is transformatief voor chemici, met name voor ongewone of hoog reactieve soorten," zegt Prof. David Fox, Universiteit van Warwick.

Prof. David Fox, Universiteit van Warwick, collaboreerde eerste keer met IBM Research in 2012.

Het IBM team, met twee ERC grant winnaars - Leo Gross en Gerhard Meyer - voert ook atoomm Manipulatie uit, wat gecontroleerde chemische reacties op een oppervlak mogelijk maakt.

Vorig jaar, in samenwerking met CiQUS aan de Universiteit van Santiago de Compostela, triggerde en observeerde het team een Bergman cyclisatie, terwijl het vorige jaar ze arijnen visualiseerden - kortstondige, hoog reactieve moleculen voor het eerst voorgesteld 115 jaar geleden - hun bestaan bevestigend.

Vandaag hebben IBM onderzoekers en Warwick chemici triangulene (Clar's koolwaterstof) gesynthetiseerd en gekarakteriseerd, een molecuul voor het eerst gehypotheseerd in 1953 maar eerder geacht te onstabiel om te isoleren.

"Wij voegden een extra ring aan het olympicene framework toe, wat complexiteit verhoogde maar uiteindelijk een molecuul produceerde met fascinerende eigenschappen," legt Anish Mistry, Universiteit van Warwick, uit.

Eerste auteur Niko Pavliček, IBM, merkt op dat "wij onze atoomm Manipulatie techniek van de aryne en Bergman studies gebruikten om triangulene te genereren, een eerder niet-gesynthetiseerde, hoog reactieve specie met opvallende magnetische kenmerken."

Het werk bouwt voort op IBM's pionierende combinatie van scanning tunneling microscopy (STM) en atomic force microscopy (AFM), technologieën die vroegere IBM wetenschappers Nobel en Kavli Prijzen in de jaren '80 opleverden.

In deze studie verwijderde de STM tip twee waterstof atomen van een precursor molecuul door voltage-geïnduceerde tunneling elektronen. Het resulterende product werd geïmageerd bij lagere voltages om zijn moleculaire orbitalen te onthullen. Dichtheidsfunctionaal theorie berekeningen bevestigden dat triangulene zijn intrinsieke eigenschappen behoudt geadsorbeerd op een oppervlak.

De AFM, uitgerust met een koolstofmonoxide-getermineerde tip, resolveerde het plannaire molecuul's zes gefuseerde benzeen ringen, vormend een symmetrische driehoek - zijn eerste hoge-resolutie beeld.

IBM wetenschapper Leo Gross co-ontwikkelde de AFM techniek gebruikt om triangulene te imageren.

Gross legt uit: "Terwijl sigma-radicalen typisch binden met koper, vormt triangulene - als een pi-radicaal gedelocaliseerde ongepaarde elektronen - dergelijke bindingen niet op koper, een verrassend resultaat dat zijn unieke elektronische structuur benadrukt."

Ongepaarde elektronen geven aanleiding tot magnetische momenten op moleculaire schaal. In conventionele koolwaterstoffen annuleren gepaarde elektronen spineffecten, maar triangulene's gedelocaliseerde spins produceren meetbare magnetisme, een eigenschap met potentiële spintronische toepassingen.

Pavliček envisageert "triangulene-achtige segmenten geïntegreerd in grafeen nanoribbons als een veelbelovende route naar organische spintronische apparaten." Grafeen nanoribbons worden ook verkend voor lichtgewicht, hoge-sterkte composieten.

"Wij hebben gedemonstreerd dat triangulene's magnetisme persisteert op xenon of natriumchloride oppervlakken," voegt Pavliček toe. "Echter, onze huidige STM/AFM mist een magnetisch veld, wat de gedetailleerde magnetische staten en excitaties open laat voor verder onderzoek."

Dit onderzoek maakt deel uit van IBM's nieuwe Collaborative Consortium, het IBM Research Frontiers Institute, dat leden bijeenbrengt om breekbare technologieën te ontwikkelen en zakelijke impact te beoordelen.

Financiering werd deels geleverd door de Europese Commissie via de Horizon 2020 PAMS en ITN QTea projecten en ERC grants CEMAS en AMSEL.

Save