Dosažení submolekulárního rozlišení nanostruktur molekul vody

Vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR a Univerzity Palackého v Olomouci ve spolupráci s  kolegy z Čínské akademie věd a Pekingské university dosáhli významného pokroku při zobrazování molekul vody. Vědci vyvinuli novou metodu umožňující dosáhnout submolekulární rozlišení slabě vázaných klastrů vody na površích pevných látek, včetně rozlišení jejich chirální orientace nebo metastabilních konfigurací. Práce publikovaná v časopise Nature Communications [1] významně posouvá současné možnosti zobrazení slabě vázaných nanostruktur pomocí mikroskopie atomárních sil (AFM – Atomic Force Microscopy).

Na rozhraní vody a pevných látek se odehrává široké spektrum fyzikálních, chemických a technologických procesů, např. vodní koroze vznikající důsledkem elektrochemických reakcí nebo transport molekul v buňkách. Studium chování vody patří mezi jednu z významných výzev současné vědy a je řešeno napříč různými obory. Hlubší pochopení těchto procesů je však v současné době limitováno našimi možnostmi přesného stanovení lokální struktury klastrů vody, které se skládají z navzájem slabě vázaných molekul vody na rozhraní s pevnou látkou, viz obrázek 1 ukazující klastr vody tvořený 4 molekulami vody s dvěma možnými chirálními uspořádáními.

Jednou z technik, které se používají pro studium rozhraní vody a pevné látky, je rastrovací mikroskopie. V rastrovací mikroskopii jsou molekuly zobrazovány pomocí hrotu s atomárně ostrým zakončením. Nevýhodou je však, že nezbytnost interakce hrotu mikroskopu se slabě vázanými molekulami vody nevyhnutelně vede k narušení jejich křehké struktury vody a nežádoucímu zkreslení měření. Tyto nežádoucí efekty výrazně limitují přesné stanovení jejich struktury na atomární úrovni. Alternativou jsou neinvazivními spektroskopickými metody, jako je optická spektroskopie, rozptyl neutronů a nukleární magnetická rezonance. Nicméně tyto spektroskopické metody neumožňují lokální určení struktury malých klastrů vody na površích pevných látek.

Čeští a čínští vědci vyvinuli novou metodu umožňující submolekulární rozlišení vodních klastrů na povrchu soli, která využívá působení slabých multipólových elektrostatických sil mezi molekulami vody a speciálně upraveným hrotem mikroskopu, který je zakončen jedinou molekulou oxidu uhelnatého, viz obrázek 1. Tato metoda umožňuje zobrazení metastabilních struktur s jejich minimálním strukturálním narušením a také určení chirální orientace vodních klastrů.

Tato práce otevírá cestu pro studium vnitřní struktury a dynamiky ledu nebo vody na povrchu pevných látek a studium elektrochemických procesů, hydrataci iontů a biologické vody s atomovou přesností.

Obrázek 1. Zobrazení pravo- a levotočivého klastru čtyř molekul vody pomocí mikroskopu atomárních sil s hrotem zakončeným právě jednou molekulou kysličníku uhelnatého (a). Obrázek (b) a (c) ukazuje horní a boční pohled na tetramer vody adsorbovaný na povrchu NaCl (001). H, O, Cl, a Na atomy jsou označeny jako bílé, červené, zelené a fialové koule. Obrázek (d) a (i): vypočtená mapa elektrostatického potenciálu tetramerů vody. Obrázek (e-h) a (j-m): snímky z rastrovacího tunelovacího mikroskopu (e) a (j) ve srovnání se submolekulárním rozlišením stejného klastru na obrázcích pořízených pomocí mikroskopu atomárních sil při různých vzdálenostech sondy, viz obrázek (f a k), (g a l), (h a m).

Reference

[1] J. Peng, J. Guo, P. Hapala, D. Cao, R. Ma, B. Cheng, L. Xu, M. Ondráček, P. Jelínek, E. Wang, Y. Jiang, Weakly perturbative imaging of interfacial water with submolecular resolution by atomic force microscopy, Nature Communication 9 (2018) 122(1) - 122(7).