Tým měří rozpad jedné chemické vazby

Tým použil mikroskop s atomovou silou s vysokým rozlišením (AFM) pracující v kontrolovaném prostředí v Centru pro zobrazování a analýzu v Princetonu. Sonda AFM, jejíž hrot končí v jednom atomu mědi, se postupně pohybovala blízko vazby železo-uhlík, dokud nepraskla. Vědci změřili mechanické síly působící v okamžiku zlomeniny, které byly viditelné na obrázku zachyceném mikroskopem. Tým z Princetonské univerzity, University of Texas-Austin a ExxonMobil oznámil výsledky v příspěvku zveřejněném v září. Komunikace přírody.

Řekl spoluautor Craig Arnold, profesor strojního a leteckého inženýrství Susan Dodd-Brown a ředitel Princetonského institutu pro materiálovou vědu a technologii (PRISM).

„Skutečnost, že to dokážeme přesně rozeznat.“ pouto„Tím, že je vytáhneme a zmáčkneme, nám to umožní hodně porozumět povaze těchto druhů vazeb – jejich síle, jak na sebe vzájemně působí – a to má všechny druhy účinků, zejména u katalytické katalýzy, kde to máte na povrch, a pak s ním něco interaguje a způsobí jeho rozpad. “řekl Arnold.

Nan Yao, hlavní vyšetřovatel studie a ředitel Centra pro zobrazování a analýzu v Princetonu, poznamenává, že experimenty také odhalily poznatky o tom, jak přerušení vazby ovlivňuje interakci katalyzátoru s povrchem, na kterém je adsorbován. Yao, který je také profesorem praxe a vedoucím výzkumným pracovníkem PRISM, dodal, že optimalizace konstrukce chemických katalyzátorů má význam pro biochemii, materiálovou vědu a energetické technologie.

V experimentech byl atom uhlíku součástí molekuly oxidu uhelnatého a atomem železa byl ftalocyanin železa, běžný pigmentový a chemický katalyzátor. Ftalocyanin železa je vytvořen jako symetrický kříž s jedním atomem železa ve středu komplexu kruhů spojených s dusíkem a uhlíkem. Atom železa reaguje s oxidem uhelnatým a železo a uhlík sdílejí pár elektronů v typu kovalentní vazby známé jako dativní vazba.

Yao a kolegové použili špičku sondy AFM v atomovém měřítku k přerušení vazby železo-uhlík přesným řízením vzdálenosti mezi špičkou a navázanými molekulami až po přírůstky 5 pikometrů (5 miliardtin milimetru). Ke zlomenině došlo, když byl hrot o 30 mikrometrů vyšší než molekuly-vzdálenost odpovídající asi jedné šestině šířky atomu uhlíku. V této výšce se polovina molekuly ftalocyaninu železa na AFM obraze zahmlila, což naznačuje bod prasknutí chemické vazby.

Vědci použili typ AFM známý jako bezkontaktní, u kterého špička mikroskopu nenavazuje přímý kontakt se studovanými molekulami, ale místo toho využívá změny frekvence mikro vibrací k vytvoření obrazu molekul. povrch.

Měřením těchto frekvenčních změn byli vědci také schopni vypočítat sílu potřebnou k přerušení vazby. Špička standardní měděné sondy přerušila vazbu železo-uhlík atraktivní silou 150 PKN. S další molekulou oxidu uhelnatého připojenou ke špičce byla vazba přerušena odpudivou silou 220 pC. Abychom se ponořili do základu těchto rozdílů, tým použil metody kvantové simulace k modelování změn hustoty elektronů během chimérická interakce.

Práce využívá techniku ​​AFM poprvé vyvinutou v roce 2009 k vizualizaci jednotlivých chemických vazeb. Řízené praskání chemické vazby pomocí systému AFM bylo náročnější než podobné studie o tvorbě vazby.

Leo Gross, který vede výzkumnou skupinu pro manipulaci s atomy a molekulami v IBM Research v Curychu a byl hlavním autorem roku 2009 studie který nejprve vyřešil chemickou strukturu molekuly pomocí AFM.

Nová studie rozbitím konkrétní vazby různými hroty, které používají dva různé mechanismy, přispívá k „zlepšení našeho chápání a kontroly štěpení vazeb manipulací s atomem. Přidává do naší sady nástrojů pro chemii manipulací s atomem a představuje krok vpřed směrem k návrh výroby stále komplexnějších molekul “, dodal Gross, který se do studie nezapojil.

Experimenty jsou velmi citlivé na vnější vibrace a další matoucí faktory. Specializovaný přístroj AFM je umístěn v Centru pro zobrazování a analýzu ve vysoce vakuovém prostředí a materiál je chlazen na teplotu 4 K, několik stupňů nad absolutní nulou, pomocí kapalného hélia. Tyto kontrolované podmínky poskytují přesná měření zajištěním molekulyEnergetické stavy a interakce jsou ovlivněny pouze experimentální manipulací.

„Potřebujete velmi čistý a dobrý systém, protože tato reakce může být velmi složitá – se spoustou.“ atomy „Pravděpodobně nevíš, jakou vazbu v tomto malém měřítku přerušit,“ řekl Yao a dodal: „Konstrukce tohoto systému zjednodušuje celý proces a vyjasňuje neznámé“ při přerušení chemické vazby.

Hlavními autory studie jsou Pengcheng Chen, výzkumný pracovník PRISM a Dingxin Fan, PhD. Student na University of Texas – Austin. Kromě Yao byli dalšími odpovídajícími autory Yun Long Zhang z ExxonMobil Research and Engineering v Annandale v New Jersey a James R. Chilekowski, profesor na univerzitě v Austinu. Kromě Arnolda byli dalšími autory z Princetonu Annabella Siloni, profesorka chemie na David B. Jones a Emily Carterová, profesorka Gerharda R. Andlingera 52 v oboru energetiky a životního prostředí. Dalšími spoluautory ExxonMobil jsou David Dankworth a Stephen Rucker.