Угарный газ помог ученым увидеть связи между атомами углерода

13 сентября 2012 года

Молекула угарного газа, присоединенная к жалу атомно-силового микроскопа, позволила физикам рассмотреть отдельные химические связи между атомами углерода в "шарике" фуллерена и некоторых органических веществах, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Атомно-силовой микроскоп относится к числу наиболее чувствительных измерительных приборов, позволяющих изучать структуру материалов с практически атомной точностью. Сердцем такого микроскопа является сверхтонкая игла из металла и присоединенная к ней упругая пластинка, которая вибрирует при движении щупа по образцу материала. Эти колебания преобразуются в картинку при помощи лазера, отражения луча которого меняется в зависимости от силы вибраций.

Группа физиков под руководством Лео Гросса (Leo Gross) из исследовательского центра компании IBM в Цюрихе (Швейцария) приспособила атомно-силовой микроскоп для изучения отдельных химических связей, присоединив к медной игле устройства молекулу углекислого газа.

Авторы статьи воспользовались тем, что каждый тип химической связи характеризуется определенным расстоянием между связанными атомами и особой пространственной конфигурацией валентных электронов. Когда наконечник микроскопа приближается к молекуле, на него начнет действовать сила, порожденная взаимным отталкиванием электронных облаков в атомах образца и кончика иглы. Если жало будет достаточно тонким и чувствительным, то частота колебаний наконечника будет меняться при перемещении от одной химической связи к другой.

Гросс и его коллеги перебрали несколько вариантов наконечника и в конечном итоге остановились на молекуле углекислого газа, присоединенной к медной игле микроскопа. По их словам, угарный газ достаточно чувствителен к искажениям, которые возникают в результате взаимного отталкивания, и при этом не взаимодействует с изучаемой молекулой на химическом уровне.

Физики проверили работу своего изобретения, изучив структуру химических связей в молекуле фуллерена - шарике из 60 соединенных друг с другом атомов углерода. По их словам, микроскоп успешно справился с этой задачей - на картинке ученые увидели характерную мозаику из двойных и одиночных связей, характерных для фуллеренов.

Убедившись в работоспособности прибора, Гросс и его коллеги рассмотрели "рисунок" связей в молекулах нескольких ароматических углеводородов. По их словам, микроскоп позволяет не только отличать одиночные, двойные и тройные связи, но и измерять их длину с точностью до 0,03 ангстрема, или 3 пикометра (10 в минус 12-й степени метра).

Физики полагают, что их методика может найти применение при изучении работы катализаторов, ферментов и при наблюдениях за сложными химическими реакциями.