Международная группа химиков под руководством Бруно Щулера из исследовательского центра компании IBM в Цюрихе смогла установить состав более 100 компонент асфальтена. Для этого авторы работы использовали методы сканирующей зондовой микроскопии атомного разрешения. Исследование опубликовано в Journal of American Chemical Society, краткое его изложение приводит портал Chemistry World.

Строение некоторых изученных в работе асфальтеновИзображение: Bruno Schuler et al., JACS, 2015

Асфальтенами называется смесь наиболее высокомолекулярных компонентов нефти или каменного угля, размягчающихся («плавящихся») лишь при температурах 200–300^оC. Ранее было известно, что основную их часть представляют собой полиароматические соединения. Однако, как именно они устроены, было непонятно.

В новой работе химики сравнили между собой образцы асфальтенов, выделенных из каменного угля и из нефти. На специальные медные пластинки, покрытые островками поваренной соли высотой в два атома, осаждали пары исходной смеси. Этот процесс происходил при низких температурах, порядка 10 кельвинов. Затем полученный препарат, на котором исследуемые молекулы распределились по островкам, помещали в микроскоп. Исследование образца проходило с помощью очень острой иглы, на кончик которой помещена единичная молекула угарного газа (CO). Игла пробегала по островку, формируя топографическую карту поверхности молекулы.

Изображения асфальтенов, полученные методами атомно-силовой микроскопии (две левые колонки) и сканирующей туннельной микроскопии (две правых). Изображение: Bruno Schuler et al., JACS, 2015

Кроме топографической карты авторы изучали и электронное строение молекул — для этого применялась сканирующая туннельная микроскопия. В ней между иглой и молекулой создают электрическое напряжение и измеряют ток, возникающий из-за туннелирования электронов. Благодаря этому удается определить форму молекулярных орбиталей, своеобразного отпечатка пальца, уникального для конкретной молекулы.

Изображения, полученные методом атомно-силовой микроскопии с модифицированной с помощью CO иглой. Изображение: Bruno Schuler et al., JACS, 2015

Вместе эти данные позволили идентифицировать более ста соединений. Эта информация дала ответ на важный вопрос, касающийся химии асфальтенов: ранее считалось, что они могут представлять собой либо «острова» из склеенных между собой циклических фрагментов, либо «архипелаги», в которых «острова» связаны между собой углеводородными цепочками. От этого зависят некоторые физические свойства смеси. Теперь стало понятно, что большинство соединений относятся к «островному» типу, с небольшим включением «архипелагов».

Исследование состава смеси — сложная проблема, поскольку многие вещества в ней имеют близкую природу. Это сильно затрудняет попытки выделить индивидуальные соединения. В тех же ситуациях, когда применяемый метод позволяет анализировать смесь веществ, например, ядерный магнитный резонанс или масс-спектрометрия, по той же причине не удается получить данные о конкретных структурах соединений.

Сравнение типичных асфальтенов в образцах угля (Tanito Harum, Индонезия) и нефти (фракция UG8, Кувейт). Изображение: Bruno Schuler et al., JACS, 2015