Moleculen voor en na een reactie gefotografeerd

De geleerden gebruikten een zeer moderne atoomkrachtmicroscoop om de eerste atoom-per atoom beelden vast te leggen (middelste beelden op de foto). Op de beelden zijn ook de chemische verbindingen te zien tussen de atomen, zodat duidelijk te zien is hoe de structuur van de molecule veranderd is door de reactie. Tot nu toe konden geleerden enkel de structuur indirect afleiden uit informatie van spectroscopische analyses. Het is opvallend dat de beelden goed lijken op de klassieke diagrammen van de moleculen (onderste beelden op de foto).

De beelden zijn ook veel duidelijker dan de beelden die men verkrijgt met een ander soort microscoop, de scanning tunneling microscoop (bovenste beelden op de foto).

"Ook al gebruik ik die moleculen dagelijks, het blies me omver van deze beelden daadwerkelijk te kunnen zien. Wow", zei de belangrijkste onderzoeker van het project Felix Fischer. "Dit was nu net wat mijn leraars altijd zeiden dat je nooit zou kunnen zien, en nu hebben we het hier voor ons liggen."

Het feit dat moleculaire reacties nu op deze manier weergegeven kunnen worden, zal niet alleen scheikundestudenten helpen bij hun studie van chemische structuren en reacties, maar het zal ook scheikundigen voor het eerst toelaten om het voortbrengsel van hun reacties te zien. Dat zal hen toelaten om de reacties nauwkeurig bij te stellen om het product te verkrijgen dat ze willen. Fischer heeft deze beelden genomen, samen met zijn medewerker Michael Crommie, met als doel nieuwe nanostructuren te maken van grafeen. Dat is een koolstofverbinding die momenteel erg in trek is omdat ze mogelijkheden biedt voor het ontwerpen van de volgende generatie van computers.

"Dit heeft echter gevolgen die veel verder gaan dan grafeen", zei Fischer aan Sciencedaily. "Deze techniek zal ook toegepast kunnen worden bij de studie van heterogene katalyse bijvoorbeeld." Die techniek houdt het gebruik in van een metalen katalysator zoals platina om bepaalde reacties te versnellen en wordt veel gebruikt in de olie- en chemische industrie. "Om de scheikunde te begrijpen die werkelijk plaatsvindt op het oppervlak van een katalysator, hebben we een werktuig nodig dat erg selectief is en ons vertelt welke verbindingen er werkelijk gevormd worden en welke er verbroken worden. Deze techniek is uniek door de nauwkeurigheid waarmee ze de structurele informatie geeft. Ik denk dat het baanbrekend is."

"De atoomkrachtmicroscoop geeft ons nieuwe informatie over de chemische verbindingen, wat ongelooflijk nuttig is om te begrijpen hoe verschillende moleculaire structuren verbonden zijn en hoe je een vorm kunt omvormen in een andere", voegde natuurkundige Crommie eraan toe. "Dit zal ons toelaten om nieuwe, ontworpen nanostructuren te maken, zoals verbonden netwerken van atomen die een bepaalde vorm en structuur hebben om te gebruiken in elektronische toestellen. Dit toont hoe we vooruit kunnen komen."

Normaal gezien voeren Fischer en andere scheikundigen gedetailleerde analyses uit om te bepalen wat het resultaat is van een chemische reactie, maar zelfs dan kan de werkelijke driedimensionale opstelling van de atomen in de producten onduidelijk zijn.

"In scheikunde gooi je dingen in een kolf en er komt iets anders uit, maar je krijgt enkel zeer indirecte informatie over wat je uiteindelijk gemaakt hebt", zei Fischer. "Je moet het afleiden uit kernspinresonantie, infrarode of ultraviolet spectra. Het is meer een puzzel, waarbij je alle informatie moet samenvoegen en dan uitvissen wat de structuur het meest waarschijnlijk zal zijn. Maar dat is slechts een schaduw. Hier hebben we daarentegen een techniek waarmee we er naar kunnen kijken en zeggen, dit is heel precies de molecule. Het is alsof je er een snapshot van neemt."

Fischer probeert nieuwe technieken te ontwikkelen om nanostructuren uit grafeen te maken die ongewone quantumeigenschappen vertonen die nuttig zouden kunnen zijn in elektronische toestellen op nanoschaal. De koolstofmoleculen in het grafeen liggen in zeshoeken tegen elkaar, zoals in een kippendraad. In plaats van een plaat van pure koolstof aan te snijden, hoopt hij een aantal kleinere moleculen op een bepaald reactie-oppervlak te plaatsen en hen ertoe te brengen on zich samen te voegen in de gewenste structuur. Het probleem daarbij was om vast te stellen wat hij nu precies gemaakt had. 

Daarom wendde hij zich tot natuurkundige Michael Crommie, die een atoomkrachtmicroscoop gebruikt om de oppervlakten van materialen te onderzoeken op het niveau van de atomen en zelfs om een individueel atoom rond te bewegen. Samen ontwikkelden ze een manier om de moleculen en het reactie-oppervlak te koelen tot de temperatuur van vloeibaar helium, 4 Kelvin of min 270 graden Celsius, wat maakt dat de moleculen niet meer bewegen. Ze gebruikten dan een channel tunneling microscoop om al de moleculen op het oppervlak te lokaliseren, en vervolgens de atoomkrachtmicroscoop om een aantal moleculen nader te bekijken. Om de resolutie van de microscoop te verhogen, plaatsten ze een enkele koolstofmonoxide-molecule op het puntje van de microscoop, een techniek die non contact AFM genoemd wordt, non contact Atom Force Microscope, atoomkrachtmicroscopie zonder contact.

Nadat ze een beeld hadden gemaakt van de molecule, een cyclische structuur met meerdere zeshoekige koolstofringen  die Fischer speciaal voor het experiment gemaakt had, verhitten ze het oppervlak tot de molecule reageerde. Dan werd het geheel opnieuw gekoeld en opnieuw gefotografeerd, wat de tweede foto opleverde.

"Door dit op een oppervlak te doen, beperk je de reactiviteit maar je hebt het voordeel dat je echt naar één molecule kan kijken, die molecule een naam of een nummer kan geven, en dat je later kan zien wat ze wordt in de producten. Uiteindelijk proberen we een nieuwe oppervlakken-scheikunde te ontwikkelen die ons toelaat om architecturen van een hoger orde te bouwen op een oppervlak, die tot toepassingen kunnen leiden in elektronische of data-opslagtoestellen uit koolstof", zei Fischer.

De geleerden publiceren, samen met nog een aantal anderen, hun bevindingen in de editie van 7 juli 2013 van het wetenschappelijke tijdschrift Science. Er is nu al een voorpublicatie in Science Express.

De punt van de non contact atoomkrachtmicroscope bestaat uit één atoom en "voelt" veranderingen in de sterkte van de elektrische krachten terwijl hij over het oppervlak glijdt op een constante hoogte. De bewegingen van de naald die daar het gevolg van zijn, worden waargenomen door een laserstraal en aan de hand daarvan worden de beelden gevormd. (Foto: Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley)