Физикам впервые удалось получить фото расположения и передвижения зарядов внутри единичной молекулы. Для этого учёные использовали комбинацию разных методов съёмки.
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.
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.
«Теперь возможно исследовать на уровне молекулы, как заряд перераспределяется, когда отдельные химические связи образуются между атомами и молекулами на поверхности, — говорит ведущий автор работы Фабиан Мон (Fabian Mohn). — Это важно, поскольку мы стремимся к созданию атомных и молекулярных устройств». (Детали эксперимента можно найти в статье в Nature Nanotechnology.)
Добавим, что та же самая группа физиков ранее первой засняла анатомию молекулы. Нынешнее достижение является развитием того эксперимента.
