Mikroskop atomárních sil zobrazí polaritu chemických vazeb v jednotlivých molekulách

Výzkumní pracovníci z Fyzikálního ústavu AV ČR a Univerzity v Řezně v Německu představili novou metodu mikroskopie atomárních sil (Atomic Force Microscopy = AFM), která umožňuje zobrazit polaritu jednotlivých chemických vazeb v molekule. Možnost detailního zobrazení rozložení náboje v chemických vazbách v rámci jedné molekuly výrazně posouvá současné možnosti studia přenosu náboje na atomární a molekulární úrovni. Právě detailní znalost rozložení náboje na molekulární úrovni by mohla pomoci např. při konstrukci solárních článků.

Doposud bylo rozložení náboje studováno zejména pomocí tzv. Kelvinovy sondy silového mikroskopu (Kelvin Probe Force Microscopy = KPFM), který umožňuje detekovat změnu lokální výstupní práce (tj. energie, která je potřeba k odejmutí právě jednoho elektronu z povrchu pevné látky) na atomární úrovni. Nicméně pro dosažení sub-molekulárního rozlišení rozložení náboje je nutné sondu přivést do těsné blízkosti zkoumaného povrchu. Bohužel, přítomnost sondy blízko povrchu vyvolává při KPFM měření nežádoucí artefakty, které zabraňují přesně stanovit rozložení náboje na sub-molekulární úrovni.

Pro řešení tohoto problému vědci navrhli nový postup měření, který umožňuje zmíněné artefakty odstranit. V článku [1], který vyšel v prestižním časopise Physical Review Letters, vědci přestavili novou metodu detekce rozložení náboje, která je založená na měření silové spektroskopie Kelvinovy sondy (Kelvin probe force spectroscopy = KPFS) pro dvě různá elektrická napětí přiložená na hrot mikroskopu. Nová metoda KPFS překonává původní nedostatky metody KPFM a navíc umožňuje mapovat rozložení náboje v jednotlivých chemických vazbách v rámci jedné molekuly. Vědci demonstrovali nové možnosti zobrazení polarizace vazeb na dvou velmi podobných molekulách. Konkrétně šlo o trimeric perfluoroortho-phenylenemercury (F₁₂C₁₈Hg₃) a podobnou molekulu, která namísto atomů fluory obsahuje atomy vodíku (H₁₂C₁₈Hg₃). Tyto molekuly mají dosti odlišně distribuovaný náboj v C-F, resp. C-H chemických vazbách. Právě díky rozdílné elektronegativitě vodíku (H) nebo fluoru (F) přítomných na okraji molekuly totiž vzniká opačná polarizace vazby mezi atomy uhlíku a vodíku (C-H) respektive fluoru (C-F), viz obr. 1.

Obr.1 (a) Atomárně rozlišený obrázek mikroskopu atomárních sil molekul, trimeric perfluoroortho-phenylenemercury (F₁₂C₁₈Hg₃) a jeho vodíkem zakončený protějšek (H₁₂C₁₈Hg₃) na povrchu mědi Cu(111). (b) Rozložení náboje spočítané pomocí kvantově mechanických výpočtů. (c) Obrázek sub-molekulárního rozložení náboje studovaných molekul získaný novou KPFS metodou, který ukazuje rozdílnou polaritu chemické C-H a C-F vazeb.

Nová metoda byla popsána v článku v časopise Physics Review Letters [1] a záhy vzbudila velkou pozornost. Vyšel o ní například článek v časopisu Physics [2], který je zaměřen zejména na to, že upozorňuje na nejdůležitější práce publikované v odborných časopisech American Physical Society. Význam práce podtrhuje několik pozitivních recenzí, které vydala vědecká nakladatelství IOP Publishing [3] a Royal Society of Chemistry [4] na svých webových stránkách.

Odkazy:
[1] F. Albrecht, J. Repp, M. Fleischmann, M. Scheer, M. Ondráček, P. Jelínek
Probing Charges on the Atomic Scale by Means of Atomic Force Microscopy
Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 076101-1 - 076101-5.
[2] http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.115.076101
[3] http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/aug/19/imaging-the-polarity-of-individual-
chemical-bonds
[4] http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/08/afm-microscopy-charge-distribution-chemical-
bonds