Molekuláris "LEGO"<br/>

A Cornell Egyetem kutatói a kémiai kötés kialakulásának részleteit vizsgálják úgy, hogy egyes atomokból, illetőleg atomcsoportokból lépésről lépésre építenek fel molekulákat. Az eközben végbemenő folyamatok pontosabb feltérképezésétől nem csupán a kémiai reakciók biztonságosabb kézben tartását remélik, hanem előre megkívánt tulajdonságú új vegyületek létrehozását is.

Wilson Ho fizikaprofesszor és tanítványa, Hyojune Lee, egy kifejezetten erre a célra átalakított, különlegesen érzékeny pásztázó alagúthatású mikroszkóppal (STM-mel) egyenként "csípik fel" a szén-monoxid-molekulákat, amelyeket aztán vasatomok közelébe visznek, aminek eredményeként a felületen vas-karbonil-molekulák alakulnak ki. Azt, hogy a kémiai kötés és ezáltal az új molekula valóban kialakult, a létrejött formáció rezgési (vibrációs) színképének elemzésével ellenőrzik. Bár a mostani kísérlet elsődlegesen alapkutatás jellegű, maga az eljárás a továbbiakban a nanotechnológiában is alkalmazható lesz újabb anyagok vagy eszközök előállítására atomi és molekuláris szinten.

A CO molekula és a vasatom "összeszerelésének" vázlata. A kialakult vas-karbonil-molekulában a CO és a vasatom nem esik egy egyenesbe, hanem bizonyos szöggel hajlik egymáshoz

A pásztázó alagúthatású mikroszkóp működése közben az STM tű alakú hegyét a felület fölött a nanométer (egymilliárdod méter) töredékét kitevő magasságban húzzák el. A felület és a tűhegy között már kis feszültség hatására is alagútáram indul meg: ha a tű magasságát folyamatosan úgy változtatják, hogy eközben az alagútáram értéke állandó maradjon, akkor a tűhegy vízszintes és függőleges elmozdulásaiból számítógéppel előállítható a felület olyan pontos domborzati térképe, amelyen az egyes atomok körvonalai is jól kivehetők. A szóban forgó kísérletben a kutatók a 13 Kelvinre hűtött berendezés légritkított terében először feltérképezték az ezüstfelületen abszorbeált szén-monoxid-molekulák és vasatomok helyzetét. Majd a tű hegyét egy CO molekula fölé emelték, s megnövelték a feszültséget: ezzel kiszakították a molekulát a felületből. Ezután egy vasatom fölé húzták, majd ellentétes irányú feszültséggel a felület felé taszították. Ennek eredményeként vas-karbonil-molekula - Fe(CO) - keletkezett, amelyhez egy további lépésben egy újabb CO molekulát kapcsolva vas-dikarbonil - Fe(CO)₂ - jött létre.

A felületről egymást követő időpontokban készült felvételeken az Fe(CO) molekula egyik oldalán egy kis "fül" látható amiatt, hogy a kialakult vegyületben az atomok nem egy egyenes mentén helyezkednek el. Az Fe(CO)₂ molekulán két ilyen kitüremkedés is megfigyelhető, amelyek tengelyszimmetrikusan, "nyuszifülre" emlékeztető alakzatban helyezkednek el. A számítógép készítette domborzati képen az ezüstatomok finom háttérrácsként, a CO, az Fe(CO) és az Fe(CO)₂ molekulák pedig ez előtt, kivehetőbben láthatók

Annak ellenőrzésére, hogy a kémiai kötés valóban kialakult, a kutatók szintén az STM-mel elkészítették a létrejött konglomerátumok rezgési (vibrációs) spektrumát. Ehhez az STM tűhegyét állandó magasságban tartották, miközben folyamatosan változtatták a feszültséget: így kimérték, hogy a kialakult összetett szerkezet mekkora energiákat (milyen frekvenciákat) és milyen mértékben nyel el. A kapott spektrumot aztán összehasonlították a vas-karbonil, illetőleg a vas-dikarbonil már ismert vibrációs színképével. Az eredmények egyértelműen bizonyították, hogy ezek a molekulák valóban kialakultak, a kémiai kötések létrejöttek.

A molekulaépítés folyamatának lépéseiről készült STM-felvételek: (A) szén-monoxid molekulák (apró pöttyök) és vasatomok az ezüst hordozófelületen. (B) Egy szén-monoxid molekula egy vasatommal Fe(CO) (vas-karbonil) molekulát alkot. (C) Az első Fe(CO) molekula fölé, kissé jobbra egy második CO molekulát emelnek. (D) Ez az Fe(CO)-hoz kötődve kialakítja az Fe(CO)₂ molekulát, amelynek aszimmetrikus szerkezete is jól látható a képen

(Élet és Tudomány)

Ajánló:

A hivatalos sajtóanyag a Cornell Egyetem honlapján. További ábrák, képek és magyarázatok.