Het team meet het verbreken van een enkele chemische binding

Het team gebruikte een atomic force microscope (AFM) met hoge resolutie die in een gecontroleerde omgeving werkte in het Center for Imaging and Analysis in Princeton. De AFM-sonde, waarvan de punt eindigt in een enkel koperatoom, werd geleidelijk dichter bij de ijzer-koolstofbinding gebracht totdat deze scheurde. De onderzoekers maten de mechanische krachten die werden uitgeoefend op het moment van breuk, die zichtbaar waren in het beeld dat door de microscoop werd vastgelegd. Een team van de Princeton University, de University of Texas-Austin en ExxonMobil maakte de resultaten bekend in een paper dat op 10 september werd gepubliceerd. Verbindingen met de natuur.

Co-auteur Craig Arnold, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek Susan Dodd-Brown en directeur van het Princeton Institute for Materials Science and Technology (PRISM).

“Het feit dat we precies dat kunnen onderscheiden” verbintenis, door eraan te trekken en erin te knijpen, kunnen we veel begrijpen over de aard van dit soort bindingen – hun kracht, hoe ze op elkaar inwerken – en dat heeft allerlei effecten, vooral voor katalytische katalyse, waar je het op een oppervlak en dan interageert iets ermee en zorgt ervoor dat het uiteenvalt”, zei Arnold.

Nan Yao, hoofdonderzoeker van de studie en directeur van het Center for Imaging and Analysis in Princeton, merkt op dat de experimenten ook inzichten onthulden in hoe bindingsverbreking de interacties van de katalysator met het oppervlak waarop het wordt geadsorbeerd beïnvloedt. Yao, ook hoogleraar praktijk en senior onderzoeker bij PRISM, voegde toe dat het optimaliseren van het ontwerp van chemische katalysatoren relevant is voor biochemie, materiaalwetenschap en energietechnologieën.

In de experimenten maakte het koolstofatoom deel uit van het koolmonoxidemolecuul en het ijzeratoom was ijzerftalocyanine, een veelgebruikt pigment en chemische katalysator. Het ijzerftalocyanine is gevormd als een symmetrisch kruis, met één ijzeratoom in het midden van een complex van ringen die zijn verbonden met stikstof en koolstof. Het ijzeratoom reageert met het koolmonoxide en het ijzer en de koolstof delen een elektronenpaar in een soort covalente binding die bekend staat als een datieve binding.

Yao en collega’s gebruikten de punt van de AFM-sonde op atomaire schaal om de ijzer-koolstofbinding te verbreken door de afstand tussen de punt en de gebonden moleculen nauwkeurig te regelen, tot in stappen van 5 picometer (5 miljardste van een millimeter). De breuk deed zich voor toen de punt 30 micrometer hoger was dan de moleculen – een afstand die overeenkomt met ongeveer een zesde van de breedte van een koolstofatoom. Op deze hoogte werd de helft van het ijzerftalocyaninemolecuul wazig in het AFM-beeld, wat wijst op het punt van breuk van de chemische binding.

De onderzoekers gebruikten een type AFM dat bekend staat als non-contact, waarbij de punt van de microscoop geen direct contact maakt met de moleculen die worden bestudeerd, maar in plaats daarvan veranderingen in de frequentie van microtrillingen gebruikt om een ​​beeld van de moleculen te creëren. oppervlakte.

Door deze frequentieveranderingen te meten, konden de onderzoekers ook de kracht berekenen die nodig is om de binding te verbreken. De punt van een standaard koperen sonde verbrak de ijzer-koolstof binding met een aantrekkingskracht van 150 PKN. Met een ander koolmonoxidemolecuul aan de punt bevestigd, werd de binding verbroken met een afstotende kracht van 220 pC. Om de basis voor deze verschillen te onderzoeken, gebruikte het team kwantumsimulatiemethoden om veranderingen in elektronendichtheid te modelleren tijdens chimische interactie.

Het werk maakt gebruik van een AFM-techniek die voor het eerst werd ontwikkeld in 2009 om individuele chemische bindingen te visualiseren. Gecontroleerd kraken van de chemische binding met behulp van het AFM-systeem was uitdagender dan vergelijkbare onderzoeken naar bindingsvorming.

Leo Gross, die de onderzoeksgroep Atom and Molecule Manipulation bij IBM Research in Zürich leidt en in 2009 de hoofdauteur was studie die eerst de chemische structuur van het molecuul analyseerde door AFM.

Door een bepaalde binding te verbreken met verschillende tips die twee verschillende mechanismen gebruiken, draagt ​​de nieuwe studie bij aan “het verbeteren van ons begrip en de controle van bindingssplitsing door het atoom te manipuleren. fabricage van ontwerpmoleculen van toenemende complexiteit”, voegde Gross, die niet bij het onderzoek betrokken was, toe.

Experimenten zijn zeer gevoelig voor externe trillingen en andere verstorende factoren. Het gespecialiseerde AFM-instrument bevindt zich in het Center for Imaging and Analysis in een sterk vacuümomgeving en het materiaal wordt gekoeld tot een temperatuur van 4 K, enkele graden boven het absolute nulpunt, met behulp van vloeibaar helium. Deze gecontroleerde omstandigheden geven nauwkeurige metingen door ervoor te zorgen dat: moleculenEnergietoestanden en interacties worden alleen beïnvloed door experimentele manipulatie.

“Je hebt een heel schoon en goed systeem nodig omdat deze reactie erg complex kan zijn – met veel atomen “Je weet waarschijnlijk niet welke binding je op deze kleine schaal moet verbreken,” zei Yao, eraan toevoegend: “Het ontwerp van dit systeem vereenvoudigt het hele proces en verduidelijkt het onbekende” bij het verbreken van chemische bindingen.

De hoofdauteurs van de studie zijn Pengcheng Chen, een PRISM-onderzoeksmedewerker, en Dingxin Fan, PhD. Student aan de Universiteit van Texas – Austin. Naast Yao waren andere corresponderende auteurs Yun Long Zhang van ExxonMobil Research and Engineering in Annandale, New Jersey, en James R. Chilekowski, professor aan de Universiteit van Austin. Naast Arnold waren andere Princeton-auteurs Annabella Siloni, hoogleraar scheikunde aan David B. Jones, en Emily Carter, de Gerhard R. Andlinger 52 Professor in Energie en Milieu. Andere co-auteurs van ExxonMobil zijn David Dankworth en Stephen Rucker.