Химикам из Университета Регенсбурга и Технологического Института Карлсруэ удалось пронаблюдать химическую реакцию на молекулярном уровне с помощью атомно-силового микроскопа. В отличие от многих аналогичных исследований, проведенных на плоских молекулах, в новой работе авторы изучили процессы в объемной молекуле. Работа опубликована в Journal of American Chemical Society, полный текст препринта доступен на сайте лаборатории (PDF).

Одной из главных частей атомно-силового микроскопа является тончайшая игла,с помощью которой он «ощупывает» образец. Чем тоньше игла, тем точнее можно изучить поверхность объекта. Для достижения молекулярного разрешения авторы работы разместили на конце иглы-зонда молекулу CO — угарного газа. Эта методика уже позволяла ученым получать изображения отдельных атомов в молекулах и даже субатомных структур-бубликов.

Система, которую химики выбрали для исследования, представляет собой две плоские молекулы фенантрена (состоит из трех бензольных колец), соединенные между собой циклическим фрагментом с атомом серы. Из-за отталкивания между отдельными ее частями, один фенантреновый фрагмент наклонен по отношению к другому. При нагревании молекула способна выбрасывать атом серы и перегруппировывается в новую структуру. Этот процесс и заинтересовал ученых.

Различные плоскости, воссозданные на основе результатов АСМ. Изображение: Florian Albrecht et al. / JACS, 2015

Ученые поместили молекулы дифенантротиофена на поверхность монокристалла меди и кратковременно нагрели их до 200 градусов Цельсия, после чего изучили образец с помощью микроскопа. Трехмерные конфигурации молекул определялись благодаря многократному сканированию образца иглой, находящейся на разной высоте от поверхности меди, при этом важно было избегать прямого взаимодействия зонда с изучаемыми молекулами. Среди 32 обнаруженных химикам частиц удалось выделить четыре разных типа — не изменившиеся молекулы, плоский продукт реакции и два типа неплоских, отличных от изначальной формы, молекул.

Три типа продуктов реакции (a,b,c), обнаруженных учеными. Ниже приведено уравнение наблюдавшейся химической реакции. Изображение: Florian Albrecht et al. / JACS, 2015

Авторы работы отмечают, что строение полученных плоских продуктов предполагает многостадийный механизм реакции отщепления серы, включающий в себя оборот на 180 градусов одного из фенантреновых фрагментов. Вероятно, поверхность меди помогает стабилизировать переходное состояние и выступает в качестве катализатора. Любопытно заметить, что если просто нагревать дифенантротиофен в ампуле с медным порошком, то в итоге получается продукт несколько иного строения, сохраняющий мостиковый атом серы.