Naukowcy odnotowują zerwanie jednego wiązania chemicznego – „niesamowite”

Korzystanie z zaawansowanych technik mikroskopowych w Uniwersytet PrincetonNaukowcy odnotowali zerwanie jednego wiązania chemicznego między węglem kukurydza Atom żelaza ma różne cząsteczki.

Zespół wykorzystał wysokiej rozdzielczości mikroskop sił atomowych (AFM) działający w kontrolowanym środowisku w Centrum Obrazowania i Analizy w Princeton. Sonda AFM, której końcówka kończy się pojedynczym atomem miedzi, była stopniowo przesuwana w pobliże wiązania żelazo-węgiel, aż do zerwania. Naukowcy zmierzyli siły mechaniczne przyłożone w momencie pęknięcia, które były widoczne na obrazie uchwyconym przez mikroskop. Zespół z Princeton University, University of Texas-Austin i ExxonMobil ogłosił wyniki w artykule badawczym opublikowanym 24 września 2021 r. w Komunikacja przyrodnicza.

Współautor Craig Arnold, profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej Susan Dodd-Brown i dyrektor Princeton Institute for Materials Science and Technology (PRISM) powiedział.

„Fakt, że możemy rozpoznać tę konkretną więź, ciągnąc ją i ściskając, pozwala nam dużo zrozumieć na temat natury tego rodzaju wiązań – ich siły, sposobu, w jaki wchodzą w interakcje – i obejmuje to wszelkiego rodzaju implikacje, zwłaszcza dla katalizy , gdzie masz cząsteczkę na powierzchni, a następnie coś z nią reaguje i powoduje jej rozpad.”

Nan Yao, główny badacz i dyrektor Centrum Obrazowania i Analizy w Princeton, zauważa, że ​​eksperymenty ujawniły również wgląd w to, jak zrywanie wiązań wpływa na interakcje katalizatora z powierzchnią, na której jest adsorbowany. Yao, który jest również profesorem praktyki i starszym badaczem w PRISM, dodał, że optymalizacja projektowania katalizatorów chemicznych ma znaczenie dla biochemii, materiałoznawstwa i technologii energetycznych.

W eksperymentach atom węgla był częścią cząsteczki tlenku węgla, a atomem żelaza była ftalocyjanina żelaza, powszechny pigment i katalizator chemiczny. Ftalocyjanina żelaza ma kształt symetrycznego krzyża, z jednym atomem żelaza w środku kompleksu pierścieni połączonych z azotem i węglem. Atom żelaza reaguje z tlenkiem węgla, a żelazo i węgiel dzielą parę elektronów w rodzaju wiązania kowalencyjnego znanego jako wiązanie celowane.

Yao i współpracownicy wykorzystali czubek sondy AFM w skali atomowej do zerwania wiązania żelazo-węgiel, precyzyjnie kontrolując odległość między końcówką a związanymi cząsteczkami, z dokładnością do 5 pikometrów (5 miliardowych części milimetra). Pęknięcie nastąpiło, gdy końcówka znajdowała się 30 mikrometrów nad cząsteczkami – odległość odpowiadająca około jednej szóstej szerokości atomu węgla. Na tej wysokości połowa cząsteczki ftalocyjaniny żelaza stała się zamglona na obrazie AFM, co wskazuje na punkt zerwania wiązania chemicznego.

Naukowcy zastosowali rodzaj AFM znany jako bezkontaktowy, w którym końcówka mikroskopu nie styka się bezpośrednio z badanymi molekułami, ale zamiast tego wykorzystuje zmiany częstotliwości mikrodrgań do stworzenia obrazu molekuł. powierzchnia.

Mierząc te zmiany częstotliwości, naukowcy byli również w stanie obliczyć siłę potrzebną do zerwania wiązania. Końcówka standardowej sondy miedzianej zerwała wiązanie żelazo-węgiel z siłą przyciągania 150 PKN. Z inną cząsteczką tlenku węgla przyczepioną do końcówki, wiązanie zostało zerwane z siłą odpychającą 220 pC. Aby zagłębić się w podstawy tych różnic, zespół wykorzystał metody symulacji kwantowej do modelowania zmian gęstości elektronowej podczas reakcji chemicznych.

Korzyści z pracy od Technologia AFM po raz pierwszy zaawansowana w 2009 r. Wizualizacja pojedynczych wiązań chemicznych. Kontrolowane pękanie wiązania chemicznego przy użyciu systemu AFM było trudniejsze niż podobne badania nad tworzeniem wiązań.

Leo Gross, który kieruje grupą badawczą Atom and Molecule Manipulation w IBM Research w Zurychu i był głównym autorem w 2009 roku badanie który jako pierwszy rozwiązał strukturę chemiczną cząsteczki za pomocą AFM.

Przerywając określone wiązanie za pomocą różnych końcówek, które wykorzystują dwa różne mechanizmy, nowe badanie przyczynia się do „polepszenia naszego zrozumienia i kontroli rozszczepiania wiązania przez manipulację atomową. Gross, który nie był zaangażowany w badanie, wzbogaca nasz zestaw narzędzi chemicznych, manipulując atom i stanowi krok naprzód w kierunku wytwarzania atomów”. Zaprojektowane cząsteczki o coraz większej złożoności.

Eksperymenty są bardzo wrażliwe na wibracje zewnętrzne i inne czynniki zakłócające. Specjalistyczny przyrząd AFM znajduje się w Centrum Obrazowania i Analizy w środowisku o wysokiej próżni, a materiał jest schładzany do temperatury 4 K, czyli o kilka stopni wyższej. zero absolutneprzy użyciu ciekłego helu. Te kontrolowane warunki zapewniają dokładne pomiary, zapewniając, że na stany energetyczne cząsteczek i interakcji mają wpływ jedynie manipulacje eksperymentalne.

„Potrzebujesz bardzo dobrego, czystego systemu, ponieważ ta interakcja może być bardzo złożona – przy tak wielu atomach możesz nie wiedzieć, które wiązanie zerwać na tak małą skalę” – powiedział Yao. „Projekt tego systemu uprościł cały proces i wyjaśnił nieznane” w zerwaniu wiązania chemicznego, powiedział.

Odniesienie: „Breaking the Ancient Bond by Mechanical Forces” Pengcheng Chen, Dingxin Fan, Yunlong Zhang, Annabella Selloni, Emily A. Carter, Craig B. Arnold, David C. Dankworth, Steven P. Rucker, James R. Chelikowsky i Nan Yao, 24 września 2021 r. Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-25932-6

Głównymi autorami badania są Pengcheng Chen, pracownik naukowy PRISM i dr Dingxin Fan. Student Uniwersytetu Teksasu w Austin. Oprócz Yao, innymi korespondentami byli Yun Long Zhang z ExxonMobil Research and Engineering w Annandale w stanie New Jersey oraz James R. Chilekowski, profesor na Uniwersytecie w Austin. Oprócz Arnolda, innymi autorami z Princeton była Annabella Siloni, profesor chemii w David B. Jones i Emily Carter, Gerhard R. Andlinger 52 Profesor Energii i Środowiska. Inni współautorzy ExxonMobil to David Dankworth i Stephen Rucker.

Praca ta była częściowo wspierana przez ExxonMobil poprzez członkostwo w Princeton E-affiliates Partnership of the Andlinger Center for Energy and the Environment. Centrum Obrazowania i Analiz Uniwersytetu Princeton jest wspierane częściowo przez Princeton Center for Complex Materials, centrum badań materiałowych i inżynieryjnych National Science Foundation. Dodatkowego wsparcia udzieliły Fundacja Welcha i Departament Energii USA.