Ученые IBM увидели структуру молекулы

Ученым корпорации IBM удалось получить высококачественное изображение химической структуры отдельной молекулы с недостижимой ранее разрешающей способностью, используя методику, известную как бесконтактная атомно-силовая микроскопия (atomic force microscopy, AFM). Этот результат, стимулирующий новые исследования возможностей использования атомов и молекул в качестве «строительных блоков» самого малого масштаба, может оказать огромное влияние на развитие целого ряда прикладных направлений нанотехнологий.

Согласно сообщению, опубликованному в журнале Science, ученые из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе (IBM Zurich Research Laboratory) Лео Гросс, Фабиан Мон, Николай Молл и Герхард Мейер совместно со своим коллегой из голландского университета в Утрехте (Utrecht University) Питером Лильджеротом, применив атомно-силовой микроскоп в среде сверхвысокого вакуума при температуре –268°C, получили изображение химической структуры отдельных молекул органического вещества под названием пентацен (pentacene). Благодаря AFM-микроскопу ученым IBM первыми в мире удалось взглянуть сквозь электронное облако и увидеть атомный «каркас» отдельной молекулы. Этот метод напоминает рентгеновское излучение, которое, проходя сквозь мягкие органические ткани, формирует четкие изображения костей. Для построения прототипов сложных функциональных структур и изучения их электрических и химических свойств на атомарном уровне была использована методика сканирующего зонда.

Молекула пентацена состоит из 22 атомов углерода и 14 атомов водорода; ее длина составляет всего 1,4 нм, а расстояние между соседними атомами углерода в молекуле – 0,14 нм. На полученных экспериментальных изображениях четко видны гексагональные структуры пяти углеродных колец, причем хорошо различимы даже атомы углерода в молекуле. Более того, по изображениям можно установить местоположение в молекуле и легких атомов водорода.

Напомним, что всего два месяца назад в журнале Science была опубликована статья, в которой ученые IBM впервые продемонстрировали возможность измерения зарядового состояния отдельных атомов бесконтактным методом с помощью атомно-силового микроскопа. Эти достижения откроют новые возможности для исследования процессов переноса электрического заряда через молекулы или молекулярные сети. Понимание распределения зарядов в молекулах и молекулярных сетях чрезвычайно важно для создания вычислительных компонентов, которые будут более миниатюрными, быстрыми и энергетически эффективными, чем современные процессоры и модули памяти.

При формировании изображения в методе AFM используется тончайшая металлическая игла щупа для измерения сверхмалых сил, действующих между зондом и образцом – в данном случае между иглой щупа и молекулой.

Чтобы получить изображение химической структуры молекулы методом бесконтактной атомно-силовой микроскопии, необходимо работать в непосредственной, близости от исследуемой молекулы, на расстоянии менее 1 нм. Для достижения этого масштаба ученым нужно было увеличить чувствительность иглы-наконечника щупа и преодолеть главное ограничение: подобно тому, как два магнита притягиваются или отталкиваются при приближении друг к другу, молекулы будут с легкостью смещаться от иглы или, наоборот, притягиваться к ней, когда она будет приближаться к ним слишком близко. Эксперименты доказали, что оптимален щуп с тончайшей иглой атомарного или молекулярного масштаба. Игла щупа с наконечником из молекулы оксида углерода (CO) позволила позиционировать щуп на расстоянии приблизительно 0,5 нм выше исследуемой молекулы (в вертикальной плоскости) и, действуя как мощное увеличительное стекло, выделить отдельные атомы в составе молекулы пентацена.

Более того, ученым удалось получить полную трехмерную векторную диаграмму сил, действующих в исследуемой молекуле. Для подтверждения данных, полученных в ходе эксперимента, и лучшего понимания механизма формирования изображений, были проведены теоретические расчеты основных принципов функционирования исследуемой системы. Оказалось, что противодействие атомов было вызвано «силами отталкивания Паули», действовавшими между молекулой СО и молекулой пентацена.

В 2011 г. на территории научного центра IBM Research в Цюрихе будет открыта новая исследовательская лаборатория мирового класса под названием Nanoscale Exploratory Research Laboratory, деятельность которой будет охватывать как фундаментальные исследования, так и прикладные разработки в области нанотехнологий. Эта инициатива станет частью стратегического научного партнерства IBM и Федеральной политехнической школы Цюриха (ETH Zurich).