Ученые увидели и измерили разрыв простой химической связи

Исследователи измерили механические силы, прилагаемые для разрыва связи между монооксидом углерода и фталоцианином железа, который появляется в виде симметричного креста на изображениях, полученных с помощью сканирующего зондового микроскопа, до и после разрыва связи.

Команда использовала атомно-силовой микроскоп (АСМ) высокого разрешения, работающий в контролируемой среде в Центре визуализации и анализа Принстона. Зонд АСМ, кончик которого заканчивается единственным атомом меди, постепенно приближался к связи железо-углерод, пока она не разорвалась. Исследователи измерили механические силы, приложенные в момент разрушения, что было видно на изображении, полученном в микроскопе. Команда из Принстонского университета, Техасского университета в Остине и ExxonMobil сообщила о результатах в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

«Это невероятное изображение — возможность действительно увидеть одну небольшую молекулу на поверхности вместе с другой связанной с ней — это потрясающе», — сказал соавтор работы профессор Крейг Арнольд.

«Тот факт, что мы могли охарактеризовать эту конкретную связь, как натягивая ее, так и давя на нее, позволяет нам гораздо больше понять природу этих видов связей — их силу, то, как они взаимодействуют, — и это имеет последствия, особенно для катализа, когда у вас есть молекула на поверхности, а затем что-то взаимодействует с ней и заставляет ее распадаться».

Нан Яо, главный автор исследования и директор Принстонского центра визуализации и анализа, отметил, что эксперименты также показали, как разрыв связи влияет на взаимодействие катализатора с поверхностью, на которой он адсорбируется.

«Улучшение конструкции химических катализаторов имеет отношение к биохимии, материаловедению и энергетическим технологиям», — добавил Нан Яо.

В экспериментах атом углерода был частью молекулы оксида углерода, а атом железа — фталоцианином железа, распространенным пигментом и химическим катализатором. Фталоцианин железа имеет структуру симметричного креста с одним атомом железа в центре комплекса связанных колец на основе азота и углерода.

Атом железа взаимодействует с углеродом монооксида углерода, а железо и углерод разделяют пару электронов в виде ковалентной связи, известной как дательная связь.

Яо и его коллеги использовали наконечник зонда атомного масштаба прибора АСМ, чтобы разорвать связь железо-углерод, точно контролируя расстояние между наконечником и связанными молекулами с шагом 5 пикометров (5 миллиардных долей миллиметра). Разрыв произошел, когда острие находилось на 30 пикометров выше молекул — расстояние, которое соответствует примерно одной шестой ширины атома углерода. На этой высоте половина молекулы фталоцианина железа стала более размытой на АСМ-изображении, что указывает на точку разрыва химической связи.

Исследователи использовали тип АСМ, известный как бесконтактный, в котором наконечник микроскопа не контактирует напрямую с исследуемыми молекулами, а вместо этого использует изменения частоты мелкомасштабных колебаний для построения изображения поверхности молекул.

Измеряя эти частотные сдвиги, исследователи также смогли вычислить силу, необходимую для разрыва связи. Стандартный медный наконечник зонда разорвал связь железо-углерод с силой притяжения 150 пиконьютонов. С другой молекулой оксида углерода, прикрепленной к наконечнику, связь была разорвана силой отталкивания 220 пиконьютонов. Чтобы разобраться в причинах этих различий, ученые использовали методы квантового моделирования для моделирования изменений плотности электронов во время химических реакций.

Работа была опубликована в журнале Nature Communications.