Группа физиков из Чехии и Японии смогла получить изображение молекулы, адсорбированной на поверхности кремния, с помощью атомно-силовой микроскопии, не прибегая к низким температурам. Ранние подобные работы требовали по меньшей мере температур жидкого азота — –196°C. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Авторы новой работы использовали мягкие кремниевые кантилеверы — чрезвычайно острые иглы — для того, чтобы получить изображение отдельных структур в молекуле. Сама тестовая молекула, диангидрид перилентетракарбоновой кислоты, размещалась в эксперименте на кремниевой подложке известного строения. Главной особенностью техники, позволившей добиться такого результата при комнатной температуре, стал промежуточный анализ химического строения острия иглы.

Изображение 3,4,9,10-перилентетракарбонового ангидрида, полученное авторами (слева сверху). Остальные изображения: положение молекулы относительно атомов кремния подложки. Изображение: Kota Iwata et al. / Nature Communications, 2015

Физики классифицировали состояния острия иглы на основе того, как она взаимодействует с поверхностными атомами кремния, расположенными на подложке. В тех случаях, когда игла интенсивно притягивалась к поверхности кремниевой пластинки, она считалась реакционноспособной, и наоборот. Изображения атомного разрешения удалось получить для обоих типов игл.

Разница в ихображениях, получаемых реакционноспособным кантилевером (слева) и нереакционноспособным (справа). Изображение: Kota Iwata et al. / Nature Communications, 2015

Для получения изображения авторы работы разработали многоступенчатую процедуру, заключающуюся в следующем. Сначала на поверхности кремниевой пластинки с помощью методов сканирующей туннельной микроскопии обнаруживалась адсорбированная молекула. Затем микроскоп переходил в атомно-силовой режим и, закрепив иглу на определенной, достаточной большой, чтобы не сдвинуть случайно молекулу, высоте аккуратно сканировал ее окрестности. При этом, за счет отталкивания электронных облаков атомов кремния на кантилевере и углерода в молекуле, получалось изображение, которое еще не обладало субмолекулярным контрастом.

После этого иглу постепенно приближали к поверхности, основываясь на результате предыдущего сканирования. Следом за этим, на минимальной высоте, физики вновь получали изображение, которое уже содержало субмолекулярные детали. В ходе сканирования кантилевер может изменить состояние, в котором находится его острие, при температурах порядка комнатной он способен вступать в химические реакции. В этой ситуации авторы предлагают аккуратно «потереть» иглу о поверхность кремния. Подробности методики описаны в научной статье.

На полученных изображениях четко виден углеродный скелет исследуемой молекулы, однако отсутствуют карбоксильные группы. Это связанно с тем, что органическая молекула выгнута относительно поверхности, поднимаясь центральной частью вверх. Кислотные же остатки расположены близко к поверхности и недосягаемы для кантилевера.

Главным методом для получения субмолекулярного разрешения в атомно-силовой микроскопии является использование кантилевера с адсорбированной молекулой угарного газа. Этот метод позволил увидеть как образуются арины, обнаружить, что атомы меди «на ощупь» являются бубликами, проследить за реакциями перегруппировок. Однако, главным его требованием являются низкие температуры для проведения эксперимента. В противном случае молекула CO может легко покинуть кантилевер и нарушить процесс получения изображения.