Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
В последнее время учёные всё дальше проникают в мир малых объектов, изучая ранее недоступное для наблюдения. На этот раз специалистам из Франции и Швейцарии удалось достигнуть качественного прогресса: они научились различать межатомные связи. Известно, что углерод обладает большим числом аллотропных модификаций. Одними из самых известных являются перспективный материал графен (представляет собой плоские листы из атомов углерода) и фуллерены (многогранники из атомов углерода). Атомы в таких химических структурах связаны при помощи ковалентных пи и сигма связей, отличающихся, в частности, длиной. Химикам это известно давно, однако лишь недавно различие в связях они смогли увидеть вживую. Но прежде чем рассказывать о нынешнем достижении, необходимо вспомнить предысторию. Ранее (в 2009 году) учёные из Швейцарии научились различать химическое строение молекул. В использованном тогда атомно-силовом микроскопе химики изменили кантилевер — сканирующий зонд, при помощи которого исследуется поверхность образца.
Исследователи выяснили, что посаженная на кончик зонда молекула CO работает как увеличительное стекло. Такой метод бесконтактной атомно-силовой микроскопии (noncontact atomic force microscopy) позволяет изучать связи атомов, регистрируя изменение частоты колебаний кончика кантилевера, вызванные присутствием электронов в молекулах. На этот раз специалисты из Франции и Швейцарии использовали тот же инструмент для изучения фуллерена (C60) и молекулы гексабензокоронена, состоящей из 48 атомов углерода и 24 атомов водорода. Последняя по строению во многом похожа на фуллерены и хлопья графена. Различные, но близкие по структуре молекулы были взяты для того чтобы убедиться, что получаемые изображения не содержат фоновых шумовых эффектов, связанных с недостатками метода. Анализируя атомные связи молекул, учёные заметили, что они отличаются как яркостью, так и длиной: чем более плотные электронные облака, тем короче связь. Теперь стало ясно, что различия в полученных изображениях демонстрируют именно различия в свойствах связей. «Ранее мы уже научились рассматривать межатомные связи, однако впервые нам удалось их различить», — рассказывает Лео Гросс (Leo Gross) физик из исследовательского центра IBM в Швейцарии (IBM Research).
По словам учёного, они открыли два различных способа изучения связей между атомами. «Первоначально мы использовали знания о небольших различиях в силе связей между атомами. Второй механизм был открыт случайно. Наблюдая, мы заметили различные длины связей и затем, используя расчёты, определили, что помочь нам может изменение взаимного расположения зонда и молекулы», — объясняет Лео Гросс. Результат получился впечатляющим: исследователям удалось рассмотреть две связи, которые отличаются всего лишь на 3 пикометра (10-12 м), то есть примерно на сотую часть диаметра атома. Теперь специалисты, рассчитывают получить ответ на фундаментальный вопрос химии: как связи влияют на свойства молекулы. Кроме того, открытие поможет лучше разобраться в процессах, происходящих на атомарном и молекулярном уровнях. Например, выяснить, что произойдёт с остальными связями молекулы, если удалить один из атомов (эти знания важны, в частности, для понимания дефектов в структуре графена), как меняются связи в ходе химических реакций и при переходе атома в возбуждённое состояние. Более полно с исследованием можно ознакомиться, прочитав статью авторов работы, вышедшую в журнале Science. Добавим, что в дальнейшем исследователи планируют заменить молекулу CO на другие, чтобы попробовать улучшить «разрешающую способность» метода.