Создатели
Рассмотреть индивидуальный атом — мечта, занимавшая ученых на протяжении десятилетий. Именно поэтому атомно-силовой микроскоп с момента его изобретения в 1986 году сотрудниками лаборатории IBM стал одним из важнейших инструментов химиков и материаловедов. Его работа основана на взаимодействии зонда (кантилевера) — гибко закрепленного и точно перемещаемого заостренного «щупа» — с поверхностью изучаемого образца. Атомно-силовой микроскоп фиксирует притяжение или отталкивание зонда, вызванное силами Ван дер Ваальса, что выгодно отличает прибор от конкурентов — сканирующего электронного (растрового) и сканирующего туннельного микроскопов (подробнее, но популярно, см. тут и тут). Последние также изучают поверхность материала с высокой точностью, однако растровый электронный микроскоп использует в качестве щупа пучок электронов, а туннельный фиксирует, как меняется величина туннельного тока между металлическим кантилевером и образцом. А там, где электричество, необходима проводимость: растровый и туннельный микроскопы могут работать только с проводящими объектами, оставляя без внимания огромную область — органическую химию, столь популярные сейчас углеродные материалы и биообъекты.
Возможности не безграничны
Атомно-силовой микроскоп может исследовать любую поверхность и в любой среде — даже в жидкости. То есть можно исследовать практически все органические молекулы, включая ДНК. Разрешение этого удивительного инструмента по вертикали, то есть по «глубине» изучаемого рельефа, достигается за счет высокой точности оптических сенсоров (особенностей оптической схемы). Что касается разрешения «в плоскости», то во многих случаях удается достичь разрешения атомарного — например, увидеть, как именно устроена углеродная нанотрубка.
Однако изображение индивидуальных простых органических молекул с высоким атомным разрешением до сих пор получить не удавалось. И главное препятствие — сложность изготовления кантилевера. Кончик «щупа» должен быть очень острым — фактически заканчиваться одним атомом. Для полупроводниковых (к примеру, распространенных кремниевых) зондов такая точность пока не достигнута. А высококачественные острые металлические кантилеверы демонстрируют слишком сильное электростатическое взаимодействие с органическими соединениями. И вместо того чтобы исследовать изучаемую молекулу, они захватывают и перемещают ее по поверхности.
Все дело в наконечнике
Лео Гросс и его коллеги из Лаборатории IBM в Цюрихе нашли изящное решение этой проблемы. Они предположили, что если кончик кантилевера модифицировать, присоединив к нему одиночную молекулу, которая не будет столь сильно взаимодействовать с молекулой изучаемого вещества, это позволит фиксировать изменение Ван-дер-Ваальсовых сил, не перемещая при этом образец.
В качестве такой «модифицирующей» молекулы была выбрана молекула монооксида углерода CO (угарного газа). Углерод и кислород в этой молекуле соединены очень прочной связью, благодаря чему она очень слабо поляризована. А значит, электростатическое взаимодействие не сможет помешать выполнить поставленную задачу — исследовать одиночную органическую молекулу.
Под прицелом — пентацен
Объектом исследования стало довольно простое и хорошо изученное соединение — пентацен. Его молекула состоит из пяти бензольных колец, которые соединены между собой гранями и выстроены в линию. Молекула эта плоская и легко ложится практически на любую поверхность. Ученым удалось исследовать ее как на проводящей подложке — медной пластинке, так и на диэлектрической, которой послужил кристалл поваренной соли. Качество полученного изображения молекулы ученых если не удивило (все же они действовали не наугад), то уж точно порадовало. На полученной картинке можно увидеть не только положения атомов углерода, но и углерод-углеродные связи и даже однозначно определить положения водорода.
Ученые не остановились на монооксиде углерода в качестве модификатора «щупа» и попробовали другие варианты для окончания кантилевера: атом хлора и молекулу самого пентацена. Изображения, полученные с помощью таких зондов, оказались также высокого разрешения. На них можно было проследить структуру молекулы, в отличие от работы металлическим зондом, когда судить можно только о местоположении и форме молекулы. Однако разрешение изображений, полученных с помощью хлорного и пентаценового «наконечников», оказались ниже. А в случае хлора за счет большего электростатического взаимодействия произошло и искажение размеров молекулы: бензольные кольца стали меньше.
Перспективы метода
Авторы работы полагают, что придуманный и проверенный ими способ позволит не только более подробно и с высоким качеством изучать органические молекулы с помощью метода атомно-силовой микроскопии, но и приведет «взгляды химиков» к проникновению вглубь химических реакций и каталитических процессов. С помощью их методики, утверждают Гросс и коллеги, можно изучать процессы переноса электронов и распределение заряда, а значит, исследовать реакционную способность различных участков сложных молекул.
Подробнее ознакомиться с теоретическими выкладками и практическими результатами цюрихских ученых можно в их статье, опубликованной в журнале Science.
