Nová metoda mapování elektrostatického pole molekul se submolekulárním rozlišením

Vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR, ve spolupráci s kolegy z Utrechtské univerzity, vyvinuli novou metodu, jak zobrazit elektrostatické pole molekul na atomární úrovni. Práce, která byla publikována v prestižním časopise Nature Communications [1], posouvá současné možnosti zobrazení jednotlivých molekul na povrchu pevné látky pomocí mikroskopie atomárních sil (AFM) a skenovací tunelovací mikroskopie (STM).

Nová metoda dokáže určit elektrostatické pole z deformací obrázků molekul změřených hrotem, jehož koncový atom se vychyluje působením elektrostatického náboje zkoumané molekuly, podobně jako raménko klasického elektroskopu. Pohybem tohoto koncového atomu hrotu dochází ke zkreslení poloh atomů a vazeb zkoumaných molekul v obrázcích pořízených AFM, podobně jako dochází k deformaci obrazů hvězd a galaxií v astronomických fotografiích vlivem silného gravitačního pole (tzv. Einsteinovy gravitační čočky). Autoři této práce vyvinuli metodu, která podle míry zkreslení obrázků rekonstruuje elektrostatické pole v blízkosti zkoumaných molekul a umožňuje tak mnohem lépe charakterizovat jejich elementární vlastnosti.

Metoda přináší výrazné výhody oproti starší technice tzv. Kelvinovy sondy především tím, že umožňuje dosáhnout výrazně lepšího prostorového rozlišení elektrostatického pole. Navíc lze informace o elektrostatickém poli získat zároveň s informací o chemické struktuře studované molekuly, a to provedením pouze jednoho AFM či STM měření. Princip metody může být v budoucnu využit i pro mapování jiných silových polí okolo molekul, například magnetických polí.

Využití hrotů s vychylujícím se koncovým atomem je známo již delší dobu. Touto metodou bylo poprvé možné přímo pozorovat chemickou strukturu jednotlivých molekul. Tým českých vědců již dříve poukázal na klíčovou roli vychylování hrotu a jeho souvislost s elektrostatickou interakcí pro pochopení AFM/STM obrázků [2,3]. Právě nová práce [1] ukazuje, jak lze rozložení elektrostatického pole získat z obrazů poměrně jednoduchým způsobem získat.

Elektrostatické pole kolem molekuly z velké části určuje její chování, např. ovlivňuje preferovaná místa v molekule, kde dochází k chemickým reakcím s jinými sloučeninami. Toto pole má také zásadní význam při samoorganizačních procesech jednotlivých molekul vytvářejících tzv. supramolekuly (např. DNA), které mají velký význam v biologii a organické chemii. Možnost přímého měření elektrostatického pole proto otevírá nové možnosti v oblasti materiálového výzkumu, fyziky, chemie a nanotechnologie.

Obr. a) Atomární struktura uhlovodíkové molekuly, nazývané TOAT (1,5,9-trioxo-13-azatriangulene). Centrální dusík a periferní kyslíky vytváří silné elektrické pole v molekule. b) Elektrostatické pole molekuly TOAT vychyluje pružně ukotvenou částici na konci hrotu (atom xenonu - Xe nebo molekulu oxidu uhelnatého - CO), díky čemuž jsou různé části molekuly zdánlivě zvětšené, zmenšené či posunuté. c) Obraz molekuly TOAT pořízený mikroskopem atomárních sil s hrotem, který má na svém konci jednu CO molekulu. Obraz je téměř nezkreslený díky malému elektrostatickému náboji CO molekuly na hrotu. d) Stejná molekula zobrazená hrotem zakončeným právě jedním atomem Xe. Střed molekuly TOAT je výrazně zmenšený kvůli odchylování kladně nabitého atomu Xe od atomu dusíku ve středu molekuly.

[1] P. Hapala, M. Švec, O. Stetsovych, N. J. van der Heijden, M. Ondráček, J. van der Lit, P. Mutombo, I. Swart, P. Jelínek, Mapping the electrostatic force field of single molecules from high-resolution scanning probe images, Nat. Comm. (2016), DOI: 10.1038/NCOMMS11560.

[2] J. van der Lit, F. Di Cicco, P. Hapala, P. Jelínek, I. Swart, Submolecular Resolution Imaging of Molecules by Atomic Force Microscopy: The Influence of the Electrostatic Force, Phys. Rev. Lett. 116, 096102 (2016).

[3] P. Hapala, R. Temirov, S. F. Tautz, and P. Jelínek, Origin of High-Resolution IETS-STM Images of Organic Molecules with Functionalized Tips. Phys. Rev. Lett. 115, 079903 (2015).