Per il fisico Percy Zahl, ottimizzare e preparare un microscopio a forza atomica senza contatto (nc-AFM) per visualizzare direttamente la struttura chimica di una singola molecola è un po' come giocare a un videogioco di realtà virtuale. Il processo richiede la navigazione e la manipolazione della punta dello strumento nel mondo degli atomi e delle molecole, eventualmente raccogliendone alcuni nel posto giusto e nel modo giusto. Se queste sfide vengono completate con successo, avanzi al livello più alto, ottenendo immagini che mostrano con precisione dove si trovano i singoli atomi e come sono chimicamente legati ad altri atomi. Ma fai una mossa sbagliata, ed è game over. È ora di ricominciare.

"L'nc-AFM ha una punta a singola molecola molto sensibile che esegue la scansione su una superficie monocristallina pulita accuratamente preparata ad un'altezza costante e "sente" le forze tra la molecola della punta e i singoli atomi e i legami delle molecole posti su questa superficie pulita , " ha spiegato Zahl, che fa parte dell'Interface Science and Catalysis Group presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN), un U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility presso il Brookhaven National Laboratory. "Può richiedere un'ora o giorni per far funzionare correttamente questo sensore. Non puoi semplicemente premere un pulsante; è necessaria una messa a punto precisa. Ma tutto questo sforzo è sicuramente utile una volta che vedi le immagini apparire come molecole in un libro di testo di chimica. "

Una storia di determinazione della struttura chimica

Fin dall'inizio del campo della chimica, gli scienziati sono stati in grado di determinare la composizione elementare delle molecole. Ciò che è stato più difficile è capire le loro strutture chimiche, o la particolare disposizione degli atomi nello spazio. Conoscere la struttura chimica è importante perché influisce sulla reattività della molecola e su altre proprietà.

Per esempio, Michael Faraday isolò il benzene nel 1825 da un residuo di gas petrolifero. Fu presto determinato che il benzene è composto da sei atomi di idrogeno e sei atomi di carbonio, ma la sua struttura chimica rimase controversa fino al 1865, quando Friedrich August Kekulé propose una struttura ciclica. Però, la sua proposta non si basava su un'osservazione diretta ma piuttosto sulla deduzione logica dal numero di isomeri (composti con la stessa formula chimica ma strutture chimiche diverse) del benzene. La corretta struttura esagonale simmetrica del benzene fu finalmente rivelata attraverso il suo modello di diffrazione ottenuto da Kathleen Lonsdale tramite cristallografia a raggi X nel 1929. Nel 1931, Erich Huckel ha usato la teoria dei quanti per spiegare l'origine dell'"aromaticità" nel benzene. L'aromaticità è una proprietà delle molecole piatte a forma di anello in cui gli elettroni sono condivisi tra gli atomi. A causa di questa disposizione unica di elettroni, i composti aromatici hanno una stabilità speciale (bassa reattività).

Oggi, La cristallografia a raggi X continua ad essere una tecnica tradizionale per determinare le strutture chimiche, insieme alla spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. Però, entrambe le tecniche richiedono cristalli o campioni relativamente puri, e i modelli di struttura chimica devono essere dedotti analizzando i modelli di diffrazione o gli spettri risultanti.

La prima immagine reale di una struttura chimica è stata ottenuta solo dieci anni fa. Nel 2009, gli scienziati dell'IBM Research–Zurich Lab in Svizzera hanno utilizzato nc-AFM per risolvere la struttura atomica di una singola molecola di pentacene, vedendo i suoi cinque anelli benzenici fusi e persino i legami carbonio-idrogeno. Questa svolta è stata resa possibile selezionando una molecola appropriata per l'estremità della punta, una che potrebbe avvicinarsi molto alla superficie del pentacene senza reagire o legarsi ad essa. Richiedeva anche un'elettronica di lettura del sensore ottimizzata a temperature criogeniche per misurare piccoli spostamenti di frequenza nell'oscillazione della sonda (che si riferisce alla forza) mantenendo la stabilità meccanica e termica attraverso configurazioni di smorzamento delle vibrazioni, camere a vuoto ultraelevato, e sistemi di raffreddamento a bassa temperatura.

"L'nc-AFM a bassa temperatura è l'unico metodo in grado di visualizzare direttamente la struttura chimica di una singola molecola, " ha detto Zahl. "Con nc-AFM, puoi visualizzare le posizioni dei singoli atomi e la disposizione dei legami chimici, che influenzano la reattività della molecola."

Però, attualmente ci sono ancora alcuni requisiti affinché le molecole siano adatte per l'imaging nc-AFM. Le molecole devono essere principalmente planari (piatte), poiché la scansione avviene sulla superficie e quindi non è adatta per grandi strutture tridimensionali (3-D) come le proteine. Inoltre, a causa della natura lenta della scansione, solo poche centinaia di molecole possono essere praticamente esaminate per esperimento. Zahl osserva che questa limitazione potrebbe essere superata in futuro attraverso l'intelligenza artificiale, che aprirebbe la strada alla microscopia a scansione automatica della sonda.

Secondo Zahl, sebbene nc-AFM da allora sia stato applicato da alcuni gruppi in tutto il mondo, non è molto diffuso, soprattutto negli Stati Uniti.

"La tecnica è ancora relativamente nuova e c'è una lunga curva di apprendimento nell'acquisizione di strutture molecolari basate sulla punta di CO, " ha detto Zahl. "Ci vuole molta esperienza nella microscopia a scansione di sonda, oltre che di pazienza».

Una capacità e una competenza uniche

Il nc-AFM al CFN rappresenta uno dei pochi in questo paese. Negli ultimi anni, Zahl ha aggiornato e personalizzato lo strumento, in particolare con il software e l'hardware open source, GXSM (per la microscopia a scansione di Gnome X). Zahl sviluppa GXSM da più di due decenni. Un software e un sistema di controllo dell'elaborazione del segnale in tempo reale registrano continuamente le condizioni operative e regolano automaticamente la posizione della punta secondo necessità per evitare collisioni indesiderate quando lo strumento viene utilizzato in una modalità di scansione specifica per AFM per registrare le forze sulle molecole. Poiché Zahl ha scritto lui stesso il software, può programmare e implementare nuove modalità di imaging o operative per nuove misurazioni e aggiungere funzionalità per aiutare gli operatori a esplorare meglio il mondo atomico.

Per esempio, recentemente Zahl ha applicato una modalità di "slicing" personalizzata per determinare la configurazione geometrica 3D in cui una singola molecola di dibenzotiopene (DBT), una molecola aromatica contenente zolfo che si trova comunemente nel petrolio, si adsorbe su una superficie d'oro. La molecola DBT non è interamente planare ma piuttosto inclinata ad angolo, così ha combinato una serie di immagini di forza (fette) per creare una rappresentazione topografica dell'intera struttura della molecola.

"In questa modalità, ostacoli come atomi sporgenti vengono automaticamente evitati, " ha detto Zahl. "Questa capacità è importante, poiché le misurazioni della forza sono idealmente prese in un piano fisso, con la necessità di essere molto vicini agli atomi per sentire le forze repulsive e, infine, per ottenere un contrasto dell'immagine dettagliato. Quando le parti sporgono dal piano della molecola, probabilmente avranno un impatto negativo sulla qualità dell'immagine."

Questo imaging di DBT faceva parte di una collaborazione con Yunlong Zhang, un chimico organico fisico presso ExxonMobil Research and Engineering Corporate Strategic Research nel New Jersey. Zhang ha incontrato Zahl a una conferenza due anni fa e si è reso conto che le capacità e l'esperienza in nc-AFM al CFN avrebbero avuto un grande potenziale per la sua ricerca sulla chimica del petrolio.

Zahl e Zhang hanno utilizzato nc-AFM per visualizzare la struttura chimica non solo del DBT ma anche di due molecole aromatiche contenenti azoto, il carbazolo (CBZ) e l'acridina (ACR), ampiamente osservate nel petrolio. Nell'analizzare le immagini, hanno sviluppato una serie di modelli di caratteristiche comuni nelle molecole a forma di anello che possono essere utilizzate per trovare atomi di zolfo e azoto e distinguerli dagli atomi di carbonio.

Petrolio:una miscela complessa

La composizione chimica del petrolio varia ampiamente a seconda di dove e come si è formato, ma in generale contiene principalmente carbonio e idrogeno (idrocarburi) e minori quantità di altri elementi, compresi zolfo e azoto. Durante la combustione, quando il carburante viene bruciato, questi "eteroatomi" producono zolfo e ossidi di azoto, che contribuiscono alla formazione di piogge acide e smog, entrambi gli inquinanti atmosferici dannosi per la salute umana e per l'ambiente. Gli eteroatomi possono anche ridurre la stabilità del carburante e corrodere i componenti del motore. Sebbene esistano processi di raffinamento, non tutto lo zolfo e l'azoto vengono rimossi. L'identificazione delle strutture più comuni delle molecole impure contenenti atomi di azoto e zolfo potrebbe portare a processi di raffinazione ottimizzati per la produzione di combustibili più puliti ed efficienti.

"La nostra precedente ricerca con il gruppo IBM a Zurigo su asfalteni petroliferi e miscele di oli pesanti ha fornito la prima "sbirciatina" in numerose strutture in petrolio, " disse Zhang. "Tuttavia, sono necessari più studi sistemici, in particolare sulla presenza di eteroatomi e la loro posizione precisa all'interno di strutture di idrocarburi aromatici al fine di ampliare l'applicazione di questa nuova tecnica per identificare strutture molecolari complesse nel petrolio".

Per immaginare gli atomi e i legami in DBT, CBZ, e ACR, gli scienziati hanno preparato la punta dell'nc-AFM con un singolo cristallo d'oro all'apice e una singola molecola di monossido di carbonio (CO) al punto terminale (lo stesso tipo di molecola utilizzata nell'esperimento IBM originale). Il cristallo metallico fornisce un supporto atomicamente pulito e piatto da cui è possibile prelevare la molecola di CO.

Dopo aver "funzionalizzato" la punta, hanno depositato alcune di ciascuna delle molecole (quantità di polvere) su una superficie d'oro all'interno dell'nc-AFM sotto vuoto ultraelevato a temperatura ambiente tramite sublimazione. Durante la sublimazione, le molecole passano direttamente da una fase solida a una gassosa.

Sebbene le immagini ottenute assomiglino in modo sorprendente a disegni di strutture chimiche, non puoi dire direttamente da queste immagini se c'è un azoto, zolfo, o atomo di carbonio presente in un particolare sito. Ci vuole una certa conoscenza di input per dedurre queste informazioni.

"Come punto di partenza, abbiamo immaginato piccole molecole ben note con elementi costitutivi tipici che si trovano in idrocarburi policiclici aromatici più grandi, in questo caso, nel petrolio, " ha spiegato Zahl. "La nostra idea era di vedere come appaiono i mattoni di base di queste strutture chimiche e usarli per creare una serie di modelli per trovarli in miscele molecolari sconosciute più grandi".

Per esempio, per molecole contenenti zolfo e azoto nel petrolio, lo zolfo si trova solo nelle strutture ad anello con cinque atomi (struttura ad anello pentagonale), mentre l'azoto può essere presente in anelli con cinque o sei atomi (struttura ad anello esagonale). Oltre a questa geometria di legame, la relativa "dimensione, " o raggio atomico, degli elementi può aiutare a distinguerli. Lo zolfo è relativamente più grande dell'azoto e del carbonio, e l'azoto è leggermente più piccolo del carbonio. È questa dimensione, o "altezza, " a cui AFM è estremamente sensibile.

"Semplicemente parlando, la forza che l'AFM registra in prossimità di un atomo è relativa alla distanza e quindi alla dimensione di quell'atomo; mentre l'AFM scansiona una molecola ad un'elevazione fissa, gli atomi più grandi sporgono di più dal piano, " ha spiegato Zahl. "Pertanto, più grande è l'atomo in una molecola, maggiore è la forza che l'AFM registra mentre si avvicina al suo guscio atomico, e la repulsione aumenta drammaticamente. Ecco perché nelle immagini lo zolfo appare come un punto luminoso, mentre l'azoto sembra un po' più debole."

Zahl e Zhang hanno quindi confrontato le loro immagini sperimentali con quelle simulate al computer ottenute utilizzando il metodo di simulazione delle particelle con sonda meccanica. Questo metodo simula le forze effettive che agiscono sulla molecola di CO all'estremità della punta mentre scansiona le molecole e si piega in risposta. Hanno anche eseguito calcoli teorici per determinare come il potenziale elettrostatico (distribuzione di carica) delle molecole influenzi la forza misurata e sia correlato al loro aspetto nelle immagini nc-AFM.

"Abbiamo usato la teoria del funzionale della densità per studiare come si comportano le forze percepite dalla molecola della sonda CO in presenza dell'ambiente di carica che circonda le molecole, " ha detto Zahl. "Abbiamo bisogno di sapere come sono distribuiti gli elettroni per capire la forza atomica e il meccanismo di contrasto del legame. Queste intuizioni ci consentono persino di assegnare legami singoli o doppi tra atomi analizzando i dettagli dell'immagine".

Andando avanti, Zahl continuerà a sviluppare e migliorare le modalità di imaging nc-AFM e le tecnologie correlate per esplorare molti tipi di interessanti, sconosciuto, o nuove molecole in collaborazione con vari utenti. Le principali molecole candidate di interesse includono quelle con grandi momenti magnetici e speciali proprietà di spin per applicazioni quantistiche e nuovi materiali simili al grafene (il grafene è un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo disposti in un reticolo esagonale) con straordinarie proprietà elettroniche.

"Il CFN ha capacità e competenze uniche in nc-AFM che possono essere applicate a un'ampia gamma di molecole, " ha detto Zahl. "Nei prossimi anni, Credo che l'intelligenza artificiale avrà un grande impatto sul campo aiutandoci a far funzionare il microscopio in modo autonomo per eseguire le operazioni che richiedono più tempo, noioso, e parti di esperimenti soggette a errori. Con questo potere speciale, le nostre possibilità di vincere il "gioco" saranno molto migliorate."