Образец высоко реактивной треугольной молекулы IBM и Warwick впервые

Triangulene получает первый крупный план благодаря ученым из IBM и Уорикского университета

(7 апреля, ОБНОВЛЕНИЕ:статья помещена на обложке апрельского номера журнала Nature Nanotechnology).

Апрель 2017 Том 12 №4 журнала «Природные нанотехнологии». Изображение предоставлено Нико Павличеком, IBM Research. Дизайн обложки:Бетани Вукоманович

Опубликовано сегодня в Nature Nanotechnology, ученые IBM действительно делают невидимое видимым.

Несколько недель назад IBM выпустила свои пять годовых прогнозов на следующие пять лет, основанные на этой теме. Ученые IBM в Цюрихе приводят хороший аргумент в пользу добавления шестого предсказания к их последнему научному достижению - визуализации некоторых из мельчайших объектов, известных науке.

Молекулы, в том числе пентацен, олимпицен, гексабензокоронен и цефаландол А, не называются нарицательными, но все они представляют собой микроскопические молекулы, которые традиционно представляются с помощью двумерных структурных стержневых моделей - вспомните свой школьный урок химии.

Но благодаря методике микроскопии, опубликованной учеными IBM в 2009 году, физики, биологи и химики по всему миру теперь могут отображать эти молекулы с поразительной ясностью и точностью, в некоторых случаях впервые, спустя десятилетия после того, как они были впервые теоретизированы, что позволяет им получать изображения. учиться и манипулировать с невероятной точностью.

Дэвид Фокс из Уорикского университета объясняет:«Для химиков удивительно иметь возможность видеть отдельные молекулы в таком высоком разрешении, особенно необычные или высокореактивные. Это лучший способ подтвердить их структуру ».

Проф. Дэвид Фокс из Уорикского университета впервые сотрудничал с IBM Research в 2012 году.

Помимо визуализации, команда IBM, в которую входят два победителя гранта Европейского исследовательского совета (ERC), Лео Гросс и Герхард Мейер, также может манипулировать молекулами, чтобы вызвать химические реакции, чтобы молекулы можно было синтезировать из адсорбированных молекул-предшественников.

Например, почти год назад в сотрудничестве с CiQUS из Университета Сантьяго-де-Компостела ученые инициировали и наблюдали захватывающую реакцию молекулярной перегруппировки, известную как циклизация Бергмана, а за год до этого они изучили и визуализировали арины, семейство высокоэффективных организмов. реактивные короткоживущие молекулы, которые впервые были предложены 115 лет назад - доказывая, что они действительно существуют. И теперь они делают это снова.

В журнале Nature Nanotechnology ученые IBM в сотрудничестве с химиками из Университета Уорвика синтезировали и охарактеризовали сложную молекулу под названием триангулен, также известную как углеводород Клара, гипотеза о которой была впервые выдвинута в 1953 году.

Аниш Мистри из Уорикского университета продолжает:«Химики всегда считали, что триангулен слишком нестабилен, чтобы его можно было изолировать. Основываясь на нашем предыдущем сотрудничестве с олимпиценами, мы добавили к молекуле дополнительное кольцо и дополнительный уровень сложности для науки, но сумели создать ранее невозможную молекулу с потенциально действительно интересными свойствами ».

Первый автор статьи, исследователь IBM, Нико Павличек, комментирует:«В этой работе мы использовали нашу технику атомных манипуляций из статей Арина и Бергмана для получения триангулена, который ранее никогда не синтезировался. Это сложная молекула, потому что она очень реактивна, но она также особенно интересна своими магнитными свойствами ».

Как они продемонстрировали в предыдущих статьях, ученые IBM используют уникальный комбинированный сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ), оба изобретенные бывшими учеными IBM в 1980-х годах и отмеченные соответственно Нобелевской премией и премией Кавли.

В их последних исследованиях острый наконечник комбинированного СТМ / АСМ использовался для удаления двух атомов водорода из молекулы-предшественника. СТМ производит измерения путем квантово-механического туннелирования электронов между иглой, поднесенной очень близко к поверхности образца, и приложением напряжения между ними. При достаточно высоком напряжении «туннелирующие электроны» могут вызвать удаление определенных связей в молекуле-предшественнике. Затем молекулу продукта можно охарактеризовать по ее молекулярным орбиталям при визуализации при более низких напряжениях.

Эти измерения в сочетании с расчетами по теории функционала плотности подтвердили, что триангулен сохраняет свойства свободных молекул на поверхности.

Команда также использовала АСМ с наконечником, оканчивающимся единственной молекулой монооксида углерода, чтобы разделить или отобразить плоскую молекулу с ее шестью конденсированными бензольными кольцами, которые впервые появляются в симметричном треугольнике. Результаты преподнесли несколько приятных сюрпризов.

Ученый из IBM Лео Гросс разработал методику АСМ для изображения триангулена.

Гросс объясняет:«Радикалы содержат неспаренные электроны, и ранее мы исследовали сигма-радикалы. В них неспаренные электроны приписываются определенным атомам, и мы обнаружили, что они всегда образуют связи с медью. Но нас удивило отсутствие связи триангулена с медью. Мы думаем, что это потому, что триангулен является пи-радикалом, а это означает, что его неспаренные электроны делокализованы ».

Именно эти неспаренные электроны делают молекулу интересной. В классической физике движущаяся в пространстве заряженная частица обладает угловым моментом и создает вокруг себя магнитное поле. В квантовой механике каждая частица - движущаяся в пространстве или нет - обладает дополнительным собственным угловым моментом, который называется их «спином». В большинстве обычных углеводородов электроны всегда спарены, и эффект их спинов нейтрализуется. Но в таких молекулах, как триангулен, спин неспаренных электронов приводит к магнетизму в молекулярном масштабе.

Авторы считают, что помимо науки есть еще несколько интересных приложений для этой работы.

Павличек объясняет:«Триангуленоподобные сегменты, включенные в графеновые наноленты, были предложены как элегантный способ создания органических спинтронных устройств».

Графеновые наноленты исследуются для применения в нанокомпозитных материалах, которые являются очень прочными и легкими. Сфера спинтроники изучается группами по всему миру, в том числе в IBM, для хранения и обработки информации.

Павличек продолжает:«Мы могли бы также продемонстрировать, что его магнетизм сохраняется на ксеноновых или хлоридно-натриевых поверхностях. Однако мы не можем получить подробную картину его магнитного состояния и возможных возбуждений с помощью нашего микроскопа (в котором отсутствует магнитное поле), поэтому есть что исследовать и открыть для других групп ».

Некоторые из этих исследований проводятся в рамках нового совместного консорциума IBM под названием IBM Research Frontiers Institute. В рамках этого института члены института совместно разрабатывают и делятся новаторскими технологиями, а также исследуют их влияние на бизнес.

Исследование также частично финансировалось Европейской комиссией в рамках проектов H2020 PAMS и ITN QTea и грантов ERC CEMAS и AMSEL.

Сохранить