IBM &Warwick-afbeelding voor het eerst zeer reactief driehoekig molecuul

Triangulene krijgt zijn eerste close-up dankzij wetenschappers van IBM en de University of Warwick

(7 april, UPDATE:de krant staat op de omslag van het aprilnummer van Nature Nanotechnology).

De april 2017 Volume 12 No 4 of Nature Nanotechnology. Beeldcredits Niko Pavlicek, IBM Research. Omslagontwerp:Bethany Vukomanovic

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

Een paar weken geleden bracht IBM zijn jaarlijkse vijf voorspellingen uit voor de komende vijf jaar op basis van dit thema. IBM-wetenschappers in Zürich voeren een goed argument aan om een ​​zesde voorspelling toe te voegen met hun nieuwste wetenschappelijke prestatie - het in beeld brengen van enkele van de kleinste objecten die de wetenschap kent.

Hoewel het geen bekende namen zijn, zijn moleculen zoals pentaceen, olympiceen, hexabenzocoroneen en cefalandole A allemaal microscopisch kleine moleculen die traditioneel worden weergegeven met behulp van structurele 2D-staafmodellen - denk eens terug aan je scheikundeles op de middelbare school.

Maar dankzij een microscopietechniek die in 2009 door de IBM-wetenschappers is gepubliceerd, kunnen natuurkundigen, biologen en chemici over de hele wereld deze moleculen nu met opmerkelijke helderheid en precisie in beeld brengen, in sommige gevallen voor het eerst, decennia nadat ze voor het eerst werden getheoretiseerd, waardoor ze bestuderen en manipuleren met ongelooflijke precisie.

David Fox, Universiteit van Warwick, legt uit:"Voor chemici is het verbazingwekkend om individuele moleculen in zo'n hoge resolutie te kunnen zien, vooral ongebruikelijke of zeer reactieve moleculen. Het is de beste manier om hun structuur te bevestigen.”

Prof. David Fox, University of Warwick, werkte in 2012 voor het eerst samen met IBM Research.

Naast beeldvorming is het IBM-team, dat bestaat uit twee winnaars van de European Research Council (ERC), Leo Gross en Gerhard Meyer, ook in staat moleculen te manipuleren om chemische reacties te veroorzaken, zodat moleculen kunnen worden gesynthetiseerd uit geadsorbeerde precursormoleculen.

Bijna een jaar geleden bijvoorbeeld, in samenwerking met CiQUS van de Universiteit van Santiago de Compostela, veroorzaakten en observeerden de wetenschappers een fascinerende moleculaire herschikkingsreactie die bekend staat als een Bergman-cyclisatie en het jaar daarvoor bestudeerden en visualiseerden ze arynes, een familie van zeer- reactieve kortlevende moleculen die 115 jaar geleden voor het eerst werden gesuggereerd - wat bewijst dat ze echt bestaan. En nu doen ze het weer.

Vandaag verschenen in Nature Nanotechnology, hebben IBM-wetenschappers in samenwerking met scheikundigen van de Universiteit van Warwick een lastig molecuul, trianguleen genaamd, gesynthetiseerd en gekarakteriseerd, ook bekend als Clar's koolwaterstof, dat voor het eerst werd verondersteld in 1953.

Anish Mistry, University of Warwick vervolgt:“Chemici hebben altijd gedacht dat trianguleen te onstabiel zou zijn om te isoleren. Voortbouwend op onze eerdere olympische samenwerking, hebben we een extra ring aan het molecuul toegevoegd en een extra niveau van complexiteit aan de wetenschap, maar zijn we erin geslaagd een voorheen onmogelijk molecuul te maken met potentieel zeer interessante eigenschappen.”

De eerste auteur van het artikel, IBM-onderzoeker Niko Pavliček, merkt op:"In dit werk hebben we onze atomaire manipulatietechniek uit de aryne- en Bergman-papers gebruikt om trianguleen te genereren, dat nog nooit eerder was gesynthetiseerd. Het is een uitdagend molecuul omdat het zeer reactief is, maar het is ook bijzonder interessant vanwege zijn magnetische eigenschappen.”

Zoals ze in eerdere artikelen hebben aangetoond, gebruiken IBM-wetenschappers een unieke gecombineerde scanning tunneling microscope (STM) en atomic force microscope (AFM), beide uitgevonden door voormalige IBM-wetenschappers in de jaren tachtig en erkend met respectievelijk de Nobel- en Kavli-prijzen.

In hun laatste onderzoek werd de scherpe punt van de gecombineerde STM/AFM gebruikt om twee waterstofatomen uit het precursormolecuul te verwijderen. De STM meet door kwantummechanische tunneling van elektronen tussen een punt dat zeer dicht bij een monsteroppervlak is gebracht en er een spanning tussen wordt aangelegd. Bij voldoende hoge spanning kunnen de 'tunneling-elektronen' de verwijdering van de specifieke bindingen in het precursormolecuul induceren. Het productmolecuul kan dan worden gekarakteriseerd door zijn moleculaire orbitalen bij beeldvorming bij mildere spanningen.

Deze metingen, gecombineerd met berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie, bevestigden dat trianguleen de eigenschappen van vrije moleculen aan het oppervlak houdt.

Het team gebruikte ook de AFM, met een punt afgesloten met een enkel koolmonoxidemolecuul, om het vlakke molecuul met zijn zes gefuseerde benzeenringen, die in een symmetrische driehoek verschijnen, voor het eerst op te lossen of af te beelden. De resultaten leverden enkele aangename verrassingen op.

IBM-wetenschapper Leo Gross heeft de AFM-techniek mede ontwikkeld om trianguleen in beeld te brengen.

Gross legt uit:"Radicalen bevatten ongepaarde elektronen, en we deden eerder onderzoek naar sigma-radicalen. Hierin zijn de ongepaarde elektronen toegewezen aan bepaalde atomen en we ontdekten dat deze altijd bindingen aangingen met koper. Maar we waren verrast dat er geen binding vormde voor trianguleen op koper. We denken dat dat komt omdat trianguleen een pi-radicaal is, wat betekent dat de ongepaarde elektronen gedelokaliseerd zijn.”

Het zijn precies deze ongepaarde elektronen die het molecuul interessant maken. In de klassieke natuurkunde heeft een geladen deeltje dat in de ruimte beweegt een impulsmoment en produceert er een magnetisch veld omheen. In de kwantummechanica heeft elk deeltje - al dan niet bewegend in de ruimte - een extra intrinsiek impulsmoment, dat hun 'spin' wordt genoemd. In de meeste conventionele koolwaterstoffen zijn elektronen altijd gepaard en wordt het effect van hun spins opgeheven. Maar in moleculen zoals trianguleen leidt de spin van de ongepaarde elektronen tot magnetisme op moleculaire schaal.

De auteurs zijn van mening dat er naast de wetenschap ook verschillende interessante toepassingen voor dit werk zijn.

Pavliček legt uit:"Trianguleen-achtige segmenten die zijn opgenomen in grafeen-nanoribbons zijn gesuggereerd als een elegante manier om organische spintronische apparaten te ontwerpen."

Grafeen nanoribbons worden onderzocht voor toepassingen in nanocomposieten materialen, die erg sterk en licht zijn. Het gebied van spintronica wordt door groepen over de hele wereld bestudeerd, ook bij IBM, voor informatieopslag en -verwerking.

Pavliček vervolgt:"We konden ook aantonen dat zijn magnetisme overleeft op xenon- of natriumchloride-oppervlakken. We kunnen echter geen gedetailleerd beeld krijgen van de magnetische toestand en mogelijke excitaties met onze microscoop (die geen magnetisch veld heeft), dus er is genoeg te ontdekken en te ontdekken voor andere groepen."

Een deel van dit onderzoek wordt uitgevoerd in het kader van een nieuw samenwerkingsconsortium dat IBM heeft gelanceerd, het IBM Research Frontiers Institute. Binnen dit kader ontwikkelen en delen leden van het Instituut samen baanbrekende technologieën en onderzoeken ze hun zakelijke implicaties.

Het onderzoek werd ook gedeeltelijk gefinancierd door de Europese Commissie in het kader van de H2020 PAMS- en ITN QTea-projecten en ERC-beurzen CEMAS en AMSEL.

Opslaan