Во многих приложениях нанотехнологии отдельные молекулы размещаются на поверхности для выполнения определенных функций, таких как проведение электрического тока или излучение светового сигнала. В идеале ученые будут синтезировать эти иногда чрезвычайно сложные химические соединения прямо на поверхности.
За химическими реакциями на поверхности можно шаг за шагом следить с помощью атомно-силовых микроскопов сверхвысокого разрешения. Полученные данные также позволяют им рассчитать точную молекулярную структуру и энергетику на пути.
Для своих экспериментов коллеги профессора Эрнста Мейера из Базельского университета выбрали молекулу, состоящую из трех бензольных колец, соединенных тройной связью. Когда исследователи наносят эту молекулу на поверхность серебра, молекулы выстраиваются в устойчивый узор, но химической реакции не происходит.Медь как катализаторОднако на поверхности меди молекулы вступают в реакцию уже при температуре -123 ° C. Катализируемая атомами меди, молекула-предшественник включает два атома водорода, тем самым изменяя ее структуру и пространственное расположение.
Когда образец нагревается до 200 ° C, происходит следующий этап реакции, на котором образуются два пятиугольных кольца. Дальнейшее повышение температуры до 400 ° C вызывает расщепление атомов водорода и образование дополнительной углерод-углеродной связи. Последние две стадии реакции приводят к ароматическим углеводородным соединениям, которые ранее не синтезировались в химии растворов.
Исследователи провели эти эксперименты в условиях сверхвысокого вакуума и смогли контролировать синтез с помощью атомно-силового микроскопа высокого разрешения с наконечником, оканчивающимся оксидом углерода. Сравнительные компьютерные расчеты позволили получить точную молекулярную структуру, которая идеально соответствовала изображениям, полученным с помощью микроскопа.
Индивидуальные наноструктурыВ ходе своих экспериментов международная исследовательская группа показала, что химия на поверхности может привести к созданию новых продуктов. «Эта чрезвычайно чистая форма химии дает нам индивидуальные наноструктуры на поверхности, которые можно использовать по-разному», — говорит Мейер, комментируя работу, в основном выполненную доктором Шигеки Каваи.
В представленном примере поверхность меди действует как катализатор; химическая реакция молекул-предшественников контролируется добавлением тепла и может контролироваться с помощью атомно-силовой микроскопии.