Новости химической науки > Химическая связь под микроскопом

Исследователи из IBM продемонстрировали, что метод сканирующей зондовой микроскопии позволяет различить небольшую разницу в порядках связей отдельных органических молекул.

Результаты их работы могут привести к построению диаграмм распределения электронов, необходимых для создания молекулярных электронных устройств будущего, а также лучше понять процессы переноса электронов и химической реакционной способности тонких пленок.

Порядок связи представляет собой классическую концепцию, которая описывает различие химических связей между атомами в молекуле. Так, порядок связи углерод-углерод в этилене равен двум, а в этане – одному. Это различие в порядках связей указывает на увеличение электронной плотности и уменьшении межатомного расстояния в этилене по сравнению с этаном. В простейшей ароматической молекуле – бензоле порядок связи углерод-углерод превышает одинарный и уступает двойному и равен 1,5.

Атомная силовая микроскопия демонстрирует незначительное различие порядка связей углерод-углерод (обозначены красным) в гексабензокоронене. (Рисунок из DOI: Science, 2012, DOI: 10.1126/science.1225621)

Информация о порядке связей в более сложных соединения, таких как фуллерены и полициклические ароматические углеводороды, поможет предсказать геометрию, ароматичность, реакционную способность, и другие свойства молекул. Так, порядок связей в фуллеренах, состоящих из конденсированных пяти- и шестичленных циклов из атомов углерода может принимать любое значение от единицы до двух. Межатомное расстояние углерод-углерод – параметр, связанный с порядком связи, для фуллерена можно определить с помощью дифракционных методов, однако дифракционные методы дают лишь значения, усредгненные для большого количества молекул.

Результаты нового исследования, выполненного Лео Гроссом (Leo Gross), Фабианом Моном (Fabian Mohn) и соавторами из Исследовательского Института IBM в Цюрихе, демонстрируют, что сканирующая микроскопия может быть использована для непосредственного измерения различий в распределении зарядов и длины связей – параметров, связанных с порядком связи. Для выполнения работы исследователи использовали атомно-силовой микроскоп с металлическим зондом неконтактного типа, модифицированным моноксидом углерода.

В одном случае исследователи изучили два типа связей в фуллерене – общую связь С-С для двух шестичленных углеродсодержащих циклов и общую связь С-С для шести- и пятичленного цикла. Известно, что связь, общая для двух шестичленных циклов несколько более богата электронами, чем связь С-С, общая для пяти- и шестичленного циклов. Результаты зондирования связей с помощью атомно-силового микроскопа показали, чем обусловлено это различие – при конденсации шестичленных циклов образуется связь, более короткая, чем при конденсации фрагментов C₆ и C₅.

Исследователи также изучили два полициклических ароматических углеводорода, в которых могут наблюдаться связи С–С с различным порядком связи. В одном случае они изучали особенности связывания в гексабензокоронене, где вокруг центрального цикла C6 симметрично расположено еще шесть циклов C6. Результаты ранее проведенных расчетов позволяли предположить, что для связей С–С центрального кольца должен реализовываться больший порядок, чем для связей, объединяющих это кольцо с периферийными циклами. Исследователи сообщают, что это предсказанное различие могло быть зафиксировано напрямую с помощью атомно-силовой микроскопии. Сходные результаты были получены и для более сложного полициклического ароматического углеводорода, содержащего девять шестичленных циклов.

Источник: Science, 2012, DOI: 10.1126/science.1225621

метки статьи: #аналитическая химия, #квантовая химия, #нанотехнологии, #природа химической связи