Новости химической науки > Атомно-силовой микроскоп демонстрирует полярность связи

Исследователи из Германии и Республики Чехия усовершенствовали производительность атомно-силового микроскопа [atomic force microscopy (AFM)], «научив» его зондировать распределение зарядов в пределах молекулы. Новая способность может оказаться полезной для разработки новых солнечных батарей, визуализируя формирование переносчиков заряда и их перенос к электронам.

Работа обычного атомно-силового микроскопа основана на анализе динамического поведения крошечного колеблющегося кантилевера, который в процессе исследования сканирует изучаемую поверхность. Измерение резонансной частоты колебания кантилевера исследователи могут изучить свойства любой поверхности с нанометровым разрешением.

Разновидностью атомно-силовой микроскопии является силовая микроскопия Кельвинского зондирования [Kelvin probe force spectroscopy (KPFS)], в котором через кантилевер на поверхность подается напряжение смещения. Изменение этого напряжения позволяет измерить, насколько прочно электроны взаимодействуют с поверхностью. Микроскопия KPFS может быть достаточно точной даже для решения таких задач, как изучение распределения зарядов в молекулах, однако, для этого необходимо очень сильно приблизить кантилевер к образцу, и при таком сближении нельзя исключить воздействие на образец других физических сил.

В новой работе исследователи из группы Яша Реппа (Jascha Repp), работающего в Университете Регенсбурга совместно с коллегами из Института Физики Чешской Академии наук определили, какие помехи может испытывать зонд атомно-силового микроскопа, и как можно обойти эти помехи. Исследователи изучили две молекулы, коренным образом отличающиеся по распределению заряда – тримерную перфтор-орто-фениленртуть (F₁₂C₁₈Hg₃) и нефторироанный, водородсодержащий аналог этого соединения (HF₁₂C₁₈Hg₃). Изучая модельные соединения с помощью микроскопии KPFS и приближая зонд все ближе и ближе к молекулам, они обнаружили, что очевидное распределение зарядов в химических связях искажалось из-за взаимного притяжения некоторых атомов из состава изучаемых веществ и зонда кантилевера.

Атомно-силовой микроскоп был использован для построения карты распределения зарядов в молекуле, демонстрируя полярность связей. (Рисунок из Phys. Rev. Lett., 115, 076101)

Как выяснили исследователи, избавиться от такого искажения результатов анализа можно было, измеряя силу, воздействующую на кантилевер как функцию двух различных напряжений сдвига. Учет этой закономерности позволил исключить любые нежелательные вклады от посторонних взаимодействий.

Физик Лео Гросс (Leo Gross), разрабатывающий атомно-силовые микроскопы и другие типы микроскопии в швейцарском отделении IBM, говорит о полученных результатах, как о значительном достижении, надеясь, что методика начнет применяться в ближайшем будущем и, возможно, будет модернизироваться и далее.

Репп уверен, что одна из первых задач, для решения которой можно будет использовать оптимизированную микроскопию KPFS – разработка органических солнечных батарей. Он говорит, что в настоящий момент мало что известно об особенностях генерации заряда на молекулах и их переносе с одной молекулы на другую или на электроды, а новая методика позволит изучить такие миграции заряда с беспрецедентной детализацией.

Источник: Phys. Rev. Lett., 115, 076101, DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.076101

метки статьи: #аналитическая химия, #природа химической связи