Cercetatorii IBM au reusit sa fotografieze pentru prima data structura unei molecule

Cercetatorii IBM au reusit sa vizualizeze structura chimica a unei molecule la o rezolutie fara precedent, utilizand o tehnica complexa cunoscuta sub numele de microscopie de forta atomica.

 

Rezultatele obtinute conduc studiul moleculelor si atomilor la cea mai mica scara de masurare si ar putea avea un impact deosebit asupra nanotehnologiei, domeniu care incearca sa inteleaga si sa controleze cateva dintre cele mai mici particule pe care le cunoaste omenirea

 

 

“Chiar daca nu este o comparatie exacta, daca facem o paralela cu modul in care un doctor utilizeaza razele x pentru a vizualiza oasele si organele din interiorul corpului uman, noi utilizam microscopul de forta atomica pentru a vizualiza structurile atomice care stau la baza moleculelor individuale,” a afirmat cercetatorul IBM Gerhard Meyer. “Tehnicile de scanare a mostrelor ofera un potential deosebit pentru realizarea unor prototipuri ale structurilor functionale complexe si pentru studiul proprietatilor lor chimice si electrice la scara atomica.”

 

Acest rezultat urmeaza unui alt experiment prezentat cu doar doua luni in urma in numarul din 12 iunie al revistei Science (vol 324, nr 5933, pag. 1428 – 1431) in cadrul caruia cercetatorii IBM au evaluat starile electrice ale atomilor utilizand un AFM. Aceste realizari vor da nastere unor noi oportunitati referitoare la investigarea modului in care sarcina electrica se transmite prin molecule sau retele moleculare. Intelegerea distributiei sarcinilor la scara atomica este esentiala pentru construirea unor dispozitive mai mici, mai rapide si mai eficiente din punct de vedere energetic fata de procesoarele si instrumentele actuale. Aceste componente pot contribui in viitor la indeplinirea viziunii IBM privind realizarea unei planete mai inteligente, sprijinind instrumentarea si interconectarea lumii fizice.

 

Asa cum a fost prezentat in numarul din 28 august al revistei Science, cercetatorii din cadrul departamentului IBM Research din Zurich, Leo Gross, Fabian Mohn, Nikolaj Moll si Gerhard Meyer, in colaborare cu Peter Liljeroth de la Univeristatea din Utrecht, au utilizat un AFM in cadrul unui vacuum extrem de puternic si la temperaturi foarte joase (–268oC or – 451oF) pentru a pune in evidenta structura chimica a moleculelor. Cu ajutorul AFM, cercetatorii IBM au fost capabili sa priveasca pentru prima data prin norul electronic si sa observe structura atomica a unei molecule individuale. Chiar daca nu este o comparatie tehnologica directa, aceasta aminteste de razele x care patrund prin tesuturi pentru a permite obtinerea unor imagini clare ale oaselor.

 

Indicatorul care a revolutionat scara de masura

 

AFM utilizeaza un indicator metalic ascutit pentru masurarea fortelor dintre varful acestuia si mostra, care poate fi o molecula, pentru a crea diferite moduri de vizualizare. In aceste experimente, molecula investigata a fost pentacena. Aceasta este o molecula alungita, alcatuita din 22 atomi de carbon si 14 atomi de hidrogen, masurand 1.4 nanometri in lungime. Distanta dintre doi atomi vecini de carbon este de doar 0.14 nanometri – de 1 milion de ori mai mica decat diametrul unui fir de nisip. In imaginea experimentala, formele hexagonale ale celor cinci legaturi de carbon ca si ale atomilor din molecula sunt evidentiate in mod clar. Chiar si pozitiile atomilor de hidrogen ale moleculei pot fi deduse din aceasta reprezentare.

 

“Cheia pentru obtinerea unei rezolutii atomice a fost varful ascutit si precis al indicatorului, precum si stabilitatea inalta a sistemului,” a spus cercetatorul IBM Leo Gross. Pentru a reprezenta structura chimica a molculei cu ajutorul unui AFM, este necesar sa se opereze in proximitatea moleculei. Raza la care interactiunile chimice ofera un aport important fortelor este mai mica decat un nanometru. Pentru a obtine acest rezultat, cercetatorilor IBM li s-a cerut sa creasca senzitivitatea si sa depaseasca o limitare majora: In mod similar modului in care doi magneti se atrag sau se resping in momentul in care se afla in apropiere unul de celalalt, moleculele sunt cu usurinta deplasate sau atasate de catre varful respectiv in momentul in care acesta se apropie foarte mult – facand alte masuratori imposibile.

 

Gross a mai adaugat, “Am pregatit mostra alegand in mod deliberat atomi si molecule singulare si am aratat ca atomul sau molecula principala sunt cele care creeaza contrastul din cadrul masuratorilor noastre cu ajutorul AFM”. Indicatorul, avand in varf o molecula de monoxid de carbon, a generat un contrast optim la o inaltime de aproximativ 0.5 nanometri deasupra molecului fotografiate – avand un comportament asemanator unei lupe puternice – a evidentiat atomii individuali in cadrul unei molecule de pentacena, dezvaluind structura chimica la scara atomica.

 

In plus, cercetatorii au reusit sa obtina o harta tri-dimensionala a fortelor care actioneaza asupra moleculei investigate. “Pentru a obtine o harta completa, a fost nevoie ca microscopul sa fie deosebit de stabil, atat din punct de vedere mecanic cat si termic, pentru a asigura faptul ca atat indicatorul din cadrul AFM cat si molecula isi pastreaza parametrii nemodificati pe parcursul celor peste 20 ore de obtinere a datelor”, a afirmat Fabian Monh, cel care lucreaza la teza sa de doctorat in cadrul departamentului IBM Research din Zurich.

 

Pentru a sustine descoperirile experimentale si a dobandi o perspectiva mai ampla asupra naturii exacte a mecanismului de vizualizare, Nikolaj Moll a realizat o cercetare amanuntita asupra sistemului investigat. “Calculele ne-au ajutat sa intelegem ce a cauzat respingerea dintre atomi. De fapt, am descoperit ca sursa acesteia a fost respingerea Pauli dintre molecula de CO si molecula de pentacena”. Aceasta forta provine dintr-un efect mecanic cuantic numit principiul de excluziune al lui Pauli. Acesta afirma faptul ca doi electroni identici nu se pot apropia foarte mult unul de celelalt.

 

IBM si nanotehnologia

 

Oamenii de stiinta s-au straduit sa “vizualizeze” si sa manipuleze atomii si moleculele Oamenii de stiinta s-au straduit sa “vizualizeze” atomii si moleculele pentru a extinde cunoasterea umana si a impinge limitele activitatii stiintifice pana la nivel nanometric. IBM a fost un deschizator de drumuri in nanostiinta si nanotehnologie inca de la dezvoltarea microscopului de scanare cu efect de tunel in 1981 de catre cercetatorii IBM Gerd Binnig si Heinrich Rohrer la IBM Research – Zurich. Pentru aceasta inventie, care a permis vizualizarea atomilor individuali si mai apoi manevrarea lor, Binning si Rohrer au primit premiul Nobel pentru fizica in anul 1986. AFM-ul (microscopia de forta atomica), successor al STM (microscopia de scanare cu efect de tunel), a fost inventat de catre Binning in 1986. STM este privit in general ca fiind instrumentul care a deschis usa cercetarii in domeniul nanotehnologiei. Un nou centru de cercetare in acest domeniu, the Nanoscale Exploratory Technology Laboratory, va fi deschis in 2011 in campusul IBM Research din Zurich. Acest centru este parte a parteneriatului strategic in domeniul nanotehnologiei cu ETH Zurich, una dintre universitatile tehnice de top ale Europei.

 

 

Lucrarea stiintifica intitulata “The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy”  de L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth, si G. Meyer, apare in revista Science, vol. 325, nr 5944, pp. 1110 – 1114 (28 August 2009).