Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Физики впервые засняли распределение зарядов в молекуле
Атомные микроскопы давно умеют получать фотографии атомов или молекул, но до сих людям не удавалось запечатлеть отчётливую картину расположения и передвижения зарядов внутри единичной молекулы. Для этого учёные использовали комбинацию разных методов съёмки.
Молекула нафталоцианина до (b) и после (c) переключения состояния таутомеризации. d – картина разности зарядов, полученная вычитанием c из b. e – расчётная асимметрия электрического поля свободной молекулы. В верхних частях рисунков наложены позиции отдельных атомов. Углерод, водород и азот — серый, белый и синие кружки соответственно. Масштабные линейки — 0,5 нм (фотографии Fabian Mohn et al./ Nature Nanotechnology).
Исследователи из лаборатории IBM в Цюрихе (IBM Research — Zurich) скрестили сканирующую туннельную, атомно-силовую и силовую микроскопию с зондом Кельвина (KPFM), благодаря чему измерили распределение электрических зарядов внутри молекулы нафталоцианина (naphthalocyanine, C48H26N8).
Нафталоцианин поместили на очень тонкий слой изолятора (NaCl), в свою очередь, лежащий на проводящей подложке из меди. Между подложкой и наконечником микроскопа — остриём в миллиардные доли метра — было приложено напряжение (комбинация переменного и постоянного).
Наконечник, подходящий к молекуле вплотную, но не касающийся её, образовал вместе с ней конденсатор. Его параметры зависели от расположения зарядов в той или иной точке образца.
Напряжение на наконечнике заставляло его вибрировать. И частота этой вибрации определялась не только параметрами приложенного напряжения и механическими свойствами консоли, но и разностью потенциалов на обкладках конденсатора, а фактически – расположением зарядов внутри исследуемой молекулы.
Схема опыта. В каждой точке будущей картины (позиции измерения отмечены красным) физики получали кривую зависимости отклонения частоты вибрации консоли от величины электрического напряжения. Точка перегиба на графике позволяла высчитать электрический заряд в данной точке нафталоцианина. Все измерения проводились при температуре 5 кельвинов (илюстрация Fabian Mohn et al./ Nature Nanotechnology).
Экспериментаторы сообщают, что ранее подобным способом учёные уже измеряли локальную разницу контактных потенциалов для широкого спектра поверхностей, и даже выявляли состояния единичных атомов, выложенных на подложку, но до сих пор ещё не демонстрировали KPFM-изображения целых молекул с субмолекулярным разрешением.
По информации BBC News, таким методом учёные не только создали электрический портрет нафталоцианина, но и пронаблюдали, как тот меняется, если непосредственно к самой молекуле тоже приложить небольшое напряжение.
В такой ситуации внешний потенциал заставлял атомы водорода в центре X-образной молекулы поменяться местами (явление таутомеризации), что провоцировало перераспределение зарядов во всей молекуле. И это передвижение электронов учёные также успешно отсняли.
