I modelli e i diagrammi schematici sono potenti strumenti per studiare i meccanismi fondamentali della chimica, ma non sono abbastanza per Wilson Ho.

"Atomi, molecole e i legami che le tengono insieme - voglio vedere queste cose come appaiono effettivamente in natura, "dice Ho, Donald Bren Professore di Fisica, Astronomia e Chimica dell'UCI. "Questi fenomeni sono fondamentali per la chimica; è importante immaginarli direttamente invece di studiarli semplicemente dai disegni nei libri di testo".

oh, che è arrivato all'UCI nel 2000, ha fatto carriera cercando di capire il comportamento intermolecolare. Vuole sapere "quale è la natura di questa interazione, cosa sta realmente accadendo al momento del legame e cosa fa sì che le molecole si attraggano l'una con l'altra per formare più complicate, strutture estese?"

Negli ultimi mesi, lui e il suo gruppo di ricerca hanno compiuto progressi significativi nei loro sforzi per vedere questi processi finora invisibili. Il loro obiettivo era quello di ottenere un'istantanea dei legami chimici che coinvolgono fluoro, che condivide una colonna della tavola periodica con altri cosiddetti elementi alogeni, compreso il cloro, bromo e iodio.

Il fluoro è usato in molti farmaci e nei polimeri che costituiscono molti dei materiali che le persone usano quotidianamente. Ma, secondo Ho, anche i produttori che gestiscono molecole contenenti l'elemento non sono chiari su come interagisce con i composti adiacenti.

Utilizzando un pezzo unico, microscopio fatto a mano, Ho e i suoi studenti laureati sono riusciti a visualizzare i legami alogeni nello spazio reale e hanno riportato le loro scoperte in Scienza quest'estate.

"Le opinioni precedentemente ottenute attraverso il nostro metodo hanno mostrato che molti legami chimici sono abbastanza simili nel mondo reale a quelli che vedi in letteratura:fondamentalmente, atomi con linee che li collegano, " Ho detto. "Ma lo schema del legame fluoro-alogeno - una sorta di forma di girandola - era piuttosto sorprendente, certamente diverso da qualsiasi cosa si disegnerebbe su un foglio di carta."

Lo scienziato veterano afferma che questa linea di ricerca ha stimolato un'evoluzione nel suo pensiero sui legami chimici, che sono classificati in voci come idrogeno, covalente, ionico e alogeno, così come i legami deboli noti come interazioni di Van der Waals che Ho paragona ai passi appiccicosi di un geco.

"L'implicazione più profonda del nostro lavoro è che tutti questi diversi tipi di legami chimici possono essere descritti all'interno di un quadro più unificato, " dice. "Usando il nostro apparato e la nostra tecnica, possiamo vedere che i legami covalenti forti e i legami alogeni più deboli appaiono molto simili; c'è solo una differenza nella forza e nel grado di condivisione degli elettroni".

La chiave di tutte le scoperte provenienti dal laboratorio di Ho è uno strumento chiamato microscopio a scansione a effetto tunnel. Occupando tre livelli nel seminterrato di Reines Hall, l'enorme conglomerato di camere e tubi in acciaio inossidabile, in gran parte ricoperti da fogli increspati, è collegato da chilometri di fili e cavi e circondato da banchi di computer e altre apparecchiature elettroniche.

Progettato e costruito da Ho e studenti laureati, l'apparato è sospeso su una serie di quattro montanti ammortizzanti per ridurre al minimo qualsiasi disturbo da vibrazioni esterne. Questo microscopio non utilizza una lente ottica. Anziché, immagina molecole con una punta che emette elettroni, o ago, posizionati a soli 5 angstrom dai soggetti. (In confronto, un atomo di idrogeno è mezzo angstrom.) L'ago è stabile a un millesimo di angstrom.

Un'altra chiave per la stabilità e la precisione dello strumento è la sua temperatura di esercizio, 600 millikelvin. Zero Assoluto, la temperatura teorica più bassa, è più freddo di appena sei decimi di kelvin.

"Questo ci dà un'ottima risoluzione energetica, che ci permette di misurare con precisione minuscole increspature elettrostatiche all'interno e tra le molecole che stiamo studiando, " Ho dice. "Possiamo ottenere immagini monitorando le variazioni dell'intensità vibrazionale della nostra molecola sonda".

Per scendere a quella temperatura, attinge alla propria scorta di elio liquido, che ricicla in un altro stabilimento di Reines Hall, anche progettato e costruito dalla sua squadra. "Ci piace costruire i nostri strumenti, " Ho dice. "Offre una buona formazione per gli studenti. Quando se ne vanno da qui, possono contare su tutta quell'esperienza nella risoluzione dei problemi e nella realizzazione di dispositivi. Non molti posti lo fanno".

Uno di questi dottorandi, Gregory Zap, ha lasciato il segno nel microscopio inventando dispositivi ad incastro che consentono ai ricercatori di cambiare rapidamente esperimento.

"Penso che sia abbastanza fenomenale mettersi al lavoro su una macchina come questa, " dice. "Ti dà la capacità di guardare singoli atomi e legami. Cose così, non molto tempo fa, la gente non pensava che avresti mai potuto vedere davvero. E più che guardarli, puoi giocare con loro. Puoi fare cose come rompere e formare legami. Puoi riposizionare le molecole per vedere come interagiscono tra loro. È semplicemente fantastico".