Nu har kemisk bindning avbildats
En grupp forskare från flera olika europeiska forskningsorganisationer, IBM Zürich forskningslaboratorium, Schweiz, Tampere tekniska universitet, Finland, Chalmers i Göteborg och University of Liverpool i Storbritannien, har lyckats att i bild visa förändringen av molekylorbitaler när en kemisk bindning mellan en enskild organisk molekyl och en metallatom bildas. Forskningen presenteras i det senaste numret av tidskriften Science.
Molekylorbitaler är nyckelbegrepp inom kvantmekaniken alltsedan 1920-talet. De beskriver elektronernas placering i kemiska bindningar och är därmed oumbärliga för förståelsen av dem. Idag när storleken på datorernas byggstenar närmar sig den yttersta gränsen av molekylära dimensioner blir molekylernas kvantmekaniska natur allt viktigare. Det blir då nödvändigt att förstå och utnyttja molekylorbitaler och andra kvantkemiska begrepp på atomär nivå.
Forskarna vid IBM har med hjälp av kemi med enskilda molekyler, en-molekylkemi, lyckats syntetisera ett metallorganiskt komplex från en pentacenmolekyl och en guldatom på en ultratunn, isolerande film som består av två atomära lager av koksalt på en kopparyta. Bildningen av denna binding är reversibel och skapades och avbildades med sveptunnelmikroskop. Guldatomen kan bindas till olika ställen på molekylen och på så sätt kunde olika isomerer av komplexet skapas med specifika orbitalmönster.
En-molekylkemi med hjälp av sveptunnelmikroskop grundar sig på sveptunnelmikroskopets unika möjligheter att avbilda och föra över energi från en spets till adsorberade atomer med atomär upplösning. Detta blir möjligt med en noggrann kontroll av elektronströmmen mellan spetsen och ytan, där elektronöverföringen härrör från det kvantmekaniska fenomenet tunnling. När komplexet bildas måste guldatomen flyttas över ”schackbrädet” av adsorptionslägen på filmen till ett läge nära molekylen. Förflyttningen sker med hjälp av energi som tillförs från de tunnlande elektronerna och som skapas med en elektrisk spänning mellan spetsen och kopparytan. I ett sista steg, används också energin från en tunnlande elektron för att bilda den kemiska bindningen. Under hela processen avbildades guldatomens och pentacenmolekylens inbördes lägen.
Värdefull insikt om det syntetiserade komplexet erhölls från datorsimuleringar av atomernas lägen i förhållande till varandra, molekylorbitaler och sveptunnelmikrokopbilder utförda av forskarna vid Tampere tekniska universitet, Chalmers och University of Liverpool. Simuleringarna är baserade på täthetsfunktionalteori, och avslöjar komplexets kemiska bindning och förändringen av molekylorbitaler i komplexet samt den atomära strukturen av de olika bildade isomererna i experimentet.
Kontrollen på atomär nivå i den demonstrerade en-molekylkemin öppnar nya perspektiv i det framväxande området molekylelektronik beträffande hur man skapar en elektrisk kontakt mellan en enskild molekyl och en metallisk ledare. Forskarna har visat att det är möjligt att kontrollera kontaktgeometrin på atomär skala och att förändringen i molekylorbitaler sträcker sig över hela komplexet.
Uppfinningen av sveptunnelmikroskopet av Gerd Binning och Heinrich Rohrer vid IBM Zurich forskningslaboratorium belönades 1986 med Nobelpriset i fysik. Walter Kohn belönades 1998 med Nobelpriset i kemi för täthetsfunktionalteorin.
Artikeln:
Jascha Repp, Gerhard Meyer, Sami Paavilainen, Fredrik E.Olsson, Mats Persson
Imaging Bond Formation Between a Gold Atom and Pentacene on an Insulating Surface.
Science, vol. 312, issue 5777, 26 May, p.1196-1199.
Kontaktinformation
Mer information:
Mats Persson, Surface Science Research Centre and Department of Chemistry, University of Liverpool, tel: +44-151-794-3518 eller 070-7535666, e-post:mats.persson@liverpool.ac.uk
Fredrik Olsson, Institutionen för teknisk fysik, Chalmers, Göteborg, tel:031-7728420 e-post: folsson@chalmers.se
