Focalizzando la luce fino alle dimensioni di un atomo, scienziati dell'Università della California, Irvine ha prodotto le prime immagini dei normali modi di vibrazione di una molecola:i movimenti interni che guidano la chimica di tutte le cose, compresa la funzione delle cellule viventi.

In uno studio pubblicato oggi in Natura , i ricercatori del Center for Chemistry at the Space-Time Limit dell'UCI descrivono come hanno posizionato la punta d'argento con terminazione atomica di un microscopio a scansione a effetto tunnel a pochi ängstrom dal suo bersaglio:una molecola di porfirina a base di cobalto fissata su una piattaforma di rame. (Le porfirine sono di importanza biologica per il loro ruolo nella respirazione e nella fotosintesi.)

Pungolando la molecola con la luce confinata sull'atomo d'argento, il team ha approfondito il regime quantistico tra gli atomi cinguettanti della molecola, diventando il primo a registrare gli spettri vibrazionali e osservare come le cariche e le correnti che tengono insieme gli atomi nei legami sono governate dalle vibrazioni molecolari.

"Dai cambiamenti strutturali in chimica alla segnalazione molecolare, tutti i processi dinamici della vita hanno a che fare con le vibrazioni molecolari, senza la quale tutto sarebbe congelato, " ha detto il coautore V. Ara Apkarian, Direttore del CaSTL e Distinguished Professor di chimica UCI. "Siamo stati a lungo consapevoli di queste vibrazioni. Per secoli, abbiamo misurato le loro frequenze attraverso la spettroscopia, ma solo ora siamo stati in grado di vedere cosa si muove e come".

Co-autore Joonhee Lee, Ricercatore CaSTL, ha aggiunto:"Ad oggi, le vibrazioni molecolari sono state spiegate in modo pittorico usando sfere oscillanti e molle di collegamento per rappresentare atomi e legami, rispettivamente. Ora possiamo visualizzare direttamente come vibrano i singoli atomi all'interno di una molecola. Le immagini che forniamo appariranno nei libri di testo per aiutare gli studenti a comprendere meglio il concetto di modalità vibrazionali normali, che fino ad ora era stato un concetto teorico".

Per ottenere la risoluzione atomica, I ricercatori di CaSTL hanno impostato il loro esperimento in un ambiente estremamente vuoto e a bassa temperatura (6 kelvin) per eliminare tutti i movimenti esterni e hanno posizionato la loro sonda a singolo atomo vicino alla molecola mirata, entro una distanza inferiore alla dimensione di un atomo. Le lenti di vetro non funzionerebbero in questo tipo di microscopia, in cui le caratteristiche sono risolte su una scala mille volte più piccola della lunghezza d'onda della luce.

"Il limite di ciò che si può vedere nella microscopia standard è la metà della lunghezza d'onda della luce, che è dell'ordine di mezzo micron, da cui prende il nome il microscopio, " Ha detto Apkarian. "Il microscopio ottico ha rivoluzionato la biologia cellulare perché attraverso di esso è possibile osservare ciò che sta accadendo all'interno di una cellula, ma una molecola è un millesimo delle dimensioni di una cellula".

Nel loro esperimento, il team ha colpito e pungolato la molecola a base di cobalto con un atomo d'argento colpito da luce laser, rischiando l'agitazione del bersaglio. Gli scienziati del CaSTL hanno mitigato questa possibilità congelando il campione su un substrato di rame. La molecola si appiattisce legandosi al rame, esponendosi all'avvicinamento ravvicinato della punta del microscopio a effetto tunnel.

Muovendo la punta d'argento su e giù rispetto al campione per mantenere una distanza di circa 2 ängstrom (1 ängstrom equivale a un decimiliardesimo di metro), i ricercatori sono stati in grado di registrare differenze di frequenza in varie posizioni all'interno della molecola. Sostengono che l'incredibile risoluzione derivi dal tunneling meccanico quantistico dei plasmoni (elettroni che interagiscono con la luce), contrastando l'idea che il tunneling diminuirebbe il campo elettrico necessario per eccitare la molecola.

"Ora abbiamo un microscopio che può risolvere gli atomi, e lo usiamo per guardare dentro le molecole, impensabile fino a pochi anni fa, " Apkarian ha detto. "La risoluzione spaziale della microscopia ottica è stata avanzata di un'altra tacca, e quello che stiamo vedendo su questa scala è davvero sorprendente".

Prossimo, Gli scienziati di CaSTL raffineranno ulteriormente le loro misurazioni dei campi elettrici all'interno delle molecole, lavorare per rilevare dove mancano gli atomi dalle strutture molecolari, e utilizzare principi di interferenza quantistica per caratterizzare dettagli ancora più fini.

"Questo team supportato dalla National Science Foundation ha raggiunto un traguardo importante superando barriere impossibili per sviluppare un nuovo strumento per "vedere" i singoli atomi di una molecola in tempo e spazio reali, "ha detto Kelsey Cook, Direttore del programma di chimica NSF. "Questa invenzione porterà a senza precedenti, comprensione trasformazionale di come le molecole reagiscono e le cellule funzionano."