Вчені побачили і виміряли розрив простого хімічного зв'язку

Вчені побачили і виміряли розрив простого хімічного зв'язку

Дослідники виміряли механічні сили, що додаються для розриву зв'язку між монооксидом вуглецю і фталоціанином заліза, який з'являється у вигляді симетричного хреста на зображеннях, отриманих за допомогою скануючого зондового мікроскопа, до і після розриву зв'язку.


Команда використовувала атомно-силовий мікроскоп (АСМ) високої роздільної здатності, що працює в контрольованому середовищі в Центрі візуалізації та аналізу Прінстона. Зонд АСМ, кінчик якого закінчується єдиним атомом міді, поступово наближався до зв'язку залізо-вуглець, поки вона не розірвалася. Дослідники виміряли механічні сили, докладені в момент руйнування, що було видно на зображенні, отриманому в мікроскопі. Команда з Прінстонського університету, Техаського університету в Остіні і ExxonMobil повідомила про результати в статті, опублікованій в журналі Nature Communications.

«Це неймовірне зображення - можливість дійсно побачити одну невелику молекулу на поверхні разом з іншою пов'язаною з нею - це приголомшливо», - сказав співавтор роботи професор Крейг Арнольд.

«Той факт, що ми могли охарактеризувати цей конкретний зв'язок, як натягуючи його, так і тиснучи на неї, дозволяє нам набагато більше зрозуміти природу цих видів зв'язків - їх силу, те, як вони взаємодіють, - і це має наслідки, особливо для каталізу, коли у вас є молекула на поверхні, а потім щось взаємодіє з нею і змушує її розпадатися».

Нан Яо, головний автор дослідження і директор Прінстонського центру візуалізації та аналізу, зазначив, що експерименти також показали, як розрив зв'язку впливає на взаємодію каталізатора з поверхнею, на якій він адсорбується.

«Поліпшення конструкції хімічних каталізаторів має відношення до біохімії, матеріалознавства та енергетичних технологій», - додав Нан Яо.

В експериментах атом вуглецю був частиною молекули оксиду вуглецю, а атом заліза - фталоціанином заліза, поширеним пігментом і хімічним каталізатором. Фталоціанин заліза має структуру симетричного хреста з одним атомом заліза в центрі комплексу пов'язаних кілець на основі азоту і вуглецю.

Атом заліза взаємодіє з вуглецем монооксиду вуглецю, а залізо і вуглець розділяють пару електронів у вигляді ковалентного зв'язку, відомого як дальний зв'язок.

Яо і його колеги використовували наконечник зонда атомного масштабу приладу АСМ, щоб розірвати зв'язок залізо-вуглець, точно контролюючи відстань між наконечником і пов'язаними молекулами з кроком 5 пікометрів (5 мільярдних часток міліметра). Розрив стався, коли вістря знаходилося на 30 пікометрів вище молекул - відстань, яка відповідає приблизно одній шостій ширині атома вуглецю. На цій висоті половина молекули фталоціанину заліза стала більш розмитою на АСМ-зображенні, що вказує на точку розриву хімічного зв'язку.

Дослідники використовували тип АСМ, відомий як безконтактний, в якому наконечник мікроскопа не контактує безпосередньо з досліджуваними молекулами, а замість цього використовує зміни частоти дрібномасштабних коливань для побудови зображення поверхні молекул.

Вимірюючи ці частотні зрушення, дослідники також змогли вирахувати силу, необхідну для розриву зв'язку. Стандартний мідний наконечник зонда розірвав зв'язок залізо-вуглець із силою тяжіння 150 піконьютонів. З іншою молекулою оксиду вуглецю, прикріпленою до наконечника, зв'язок був розірваний силою відштовхування 220 піконьютонів. Щоб розібратися в причинах цих відмінностей, вчені використовували методи квантового моделювання для моделювання змін щільності електронів під час хімічних реакцій.

Робота була опублікована в журналі Nature Communications.