IBM и ученые Warwick запечатлели первое высокоразрешающее изображение триангулена, высокореактивной треугольной молекулы

Триангулен получает свой первый крупный план благодаря исследователям IBM и Университета Warwick.

Апрель 2017 Том 12 №4 Nature Nanotechnology. Image credit Niko Pavlicek, IBM Research. Cover design: Bethany Vukomanovic

Опубликованная сегодня в Nature Nanotechnology, ученые IBM делают невидимое видимым.

Несколько недель назад IBM выпустила свои ежегодные пять предсказаний на ближайшие пять лет. Теперь исследователи в Цюрихе добавляют шестое предсказание: способность визуализировать и манипулировать самыми маленькими известными молекулами с беспрецедентной точностью.

Традиционно молекулы такие как пентацен, олимпицен, гексабензокоронен и цефаландол А изображаются 2-D стик-моделями. Благодаря методу микроскопии, введенному IBM в 2009, ученые по всему миру теперь могут захватывать эти структуры в замечательной детали, иногда впервые за десятилетия после их теоретического предложения.

«Видеть отдельные молекулы на таком высоком разрешении трансформативно для химиков, особенно для необычных или высокореактивных видов», говорит проф. Дэвид Фокс, Университет Warwick.

Проф. Дэвид Фокс, Университет Warwick, первый сотрудничал с IBM Research в 2012.

Команда IBM, включающая двух победителей ERC грантов — Лео Гросса и Герхарда Мейера — также выполняет атомную манипуляцию, позволяя контролируемые химические реакции на поверхности.

Прошлый год, в партнерстве с CiQUS в Университете Сантьяго де Компостела, команда запустила и наблюдала Бергмановскую циклизацию, а годом ранее они визуализировали арины — короткоживущие, высокореактивные молекулы, впервые предложенные 115 лет назад — подтверждая их существование.

Сегодня исследователи IBM и химики Warwick синтезировали и охарактеризовали триангулен (углеводород Клара), молекулу, впервые гипотезированную в 1953, но ранее считавшуюся слишком нестабильной для изоляции.

«Мы добавили дополнительное кольцо к олимпиценовому фреймворку, увеличивая сложность, но в конечном счете производя молекулу с захватывающими свойствами», объясняет Аниш Мистри, Университет Warwick.

Первый автор Нико Павличек, IBM, отмечает, что «мы использовали нашу атомную манипуляционную технику из арин и Бергмановских исследований для генерации триангулена, ранее несинтезированного, высокореактивного вида с заметными магнитными характеристиками».

Работа строится на пионерском сочетании IBM сканирующей туннельной микроскопии (STM) и атомно-силовой микроскопии (AFM), технологиях, заработавших бывшим ученым IBM Нобелевские и Кавлиевские премии в 1980-х.

В этом исследовании STM кончик удалил два атома водорода от предшественника молекулы через напряжение-индуцированные туннельные электроны. Результирующий продукт был изображен на более низких напряжениях для раскрытия его молекулярных орбиталей. Density functional theory расчеты подтвердили, что триангулен сохраняет свои интринсические свойства при адсорбции на поверхности.

AFM, оснащенный оксидом-углерод–терминированным кончиком, разрешил плоскую молекулу шесть сросшихся бензольных колец, формирующих симметричный треугольник — его первое высокоразрешающее изображение.

IBM ученый Лео Гросс ко-разработал AFM технику, использованную для визуализации триангулена.

Гросс объясняет: «В то время как сигма-радикалы обычно связываются с медью, триангулен — будучи пи-радикалом с делокализованными непарными электронами — не формирует такие связи на меди, удивительный результат, подсвечивающий его уникальную электронную структуру».

Непарные электроны дают рождение магнитным моментам на молекулярном масштабе. В конвенциональных углеводородах парные электроны отменяют спиновые эффекты, но делокализованные спины триангулена производят измеримый магнетизм, свойство с потенциальными спинотронными приложениями.

Павличек предвидит «триангулен-подобные сегменты, встроенные в графеновые наноленты как перспективный путь к органическим спинотронным устройствам». Графеновые наноленты также исследуются для легких, высокопрочных композитов.

«Мы продемонстрировали, что магнетизм триангулена сохраняется на ксеноне или хлористе натриевых поверхностях», добавляет Павличек. «Однако наш текущий STM/AFM лишен магнитного поля, оставляя детальные магнитные состояния и возбуждения открытыми для дальнейшего изучения».

Это исследование часть нового Коллаборативного Консорциума IBM, IBM Research Frontiers Institute, который собирает членов для разработки прорывных технологий и оценки бизнес-импакта.

Финансирование частично предоставлено Европейской Комиссией через Horizon 2020 PAMS и ITN QTea проекты и ERC гранты CEMAS и AMSEL.

Save