Ученые из Калифорнийского университета в Ирвайне добились беспрецедентных результатов в отображении молекулярной структуры.

При помощи сканирующего тоннельного микроскопа исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне использовали в качестве сенсора и преобразователя двухатомное соединение для исследования и получения изображения образцов. Они получили беспрецедентную информацию об их структурах, связях и электрических полях. Работа опубликована в статье журнала Science Advances.

«Мы использовали эту технику для отображения химической информации внутри одной молекулы на субмолекулярном пространственном разрешении, — говорит соавтор исследования В. Ара Апкарян. — Возможность увидеть происходящее внутри базовых единиц всего вещества действительно удивительна, и это одна из целей, которые мы более десяти лет преследуем в Центре химических инноваций на пределе пространства и времени (CaSTL. — Прим. автора)».

Чтобы добиться этих результатов, ученые из CaSTL прикрепили одну молекулу окиси углерода к концу острой серебряной иглы внутри микроскопа. Они направили на наконечник лазер и проследили вибрационную частоту прикрепленной молекулы при помощи так называемого эффекта Рамана, приводящего к изменениям в цвете света, рассеивающегося от соединения.

Калибровка молекулярного электрометра / © UCI

Этот эффект очень слабый, в сканирующем тоннельном микроскопе наконечник работает как молниеотвод, усиливая сигнал на 12 порядков. При помощи регистрации малых изменений в вибрационной частоте окиси углерода при ее приближении к целевым молекулам исследователи смогли отобразить молекулярные формы и характеристики благодаря вариациям в электрических зарядах внутри молекулы.

В экспериментах ученые использовали металлопорфирины — соединения, находящиеся в человеческой крови — и растительные хлорофиллы.

Полученные изображения предоставили беспрецедентные детали о металлопорфирине, включая его заряд, внутримолекулярную поляризацию, локальную фотопроводимость, поверхностные волны плотности электронов — силы, диктующие функциональную и структурную трансформацию молекул.

Несмотря на то что работа представляет собой прежде всего чисто фундаментальное научное исследование, в будущем ей могут найти практическое применение в одномолекулярных электромагнитных системах.