Un team internazionale di scienziati ha sviluppato un metodo per rompere e formare legami molecolari applicando tensione a una molecola utilizzando una punta acuminata larga solo pochi atomi. Credito:2022 KAUST; Anastasia Serin.
Le reazioni chimiche producono spesso miscele disordinate di prodotti diversi. Quindi, i chimici trascorrono molto tempo a persuadere le loro reazioni a essere più selettivi per creare particolari molecole bersaglio. Ora, un team internazionale di ricercatori ha raggiunto quel tipo di selettività fornendo impulsi di tensione a una singola molecola attraverso una punta incredibilmente affilata.
"Il controllo del percorso di una reazione chimica, a seconda degli impulsi di tensione utilizzati, è senza precedenti e molto allettante per i chimici", afferma Shadi Fatayer di KAUST.
Il team ha utilizzato uno strumento che combina la microscopia a tunneling a scansione (STM) e la microscopia a forza atomica (AFM). Entrambe le tecniche possono mappare le posizioni degli atomi all'interno delle singole molecole utilizzando una punta che può essere larga solo pochi atomi. Ma la tensione può anche essere utilizzata per rompere i legami all'interno di una molecola, consentendo potenzialmente la formazione di nuovi legami.
"In precedenza sono state eseguite reazioni controllate dalla punta, ma non c'era alcun controllo sul prodotto finale", afferma Fatayer. "La selettività è l'elemento chiave qui:a seconda della polarità e del valore degli impulsi di tensione, possiamo formare e rompere diversi legami interni a piacimento."
I ricercatori hanno utilizzato questo approccio per studiare il tetraclorotetracene, una molecola che contiene quattro atomi di cloro attaccati a una fila di quattro anelli esagonali di atomi di carbonio. L'applicazione di una tensione di circa 3,5 V ha rimosso due atomi di cloro e ha spinto la molecola a riorganizzarsi. Aumentando la tensione si rimuovevano gli atomi di cloro rimanenti, innescando ulteriori riarrangiamenti che formavano tre diversi prodotti.
Il primo prodotto ha quattro anelli esagonali disposti a zig-zag; il secondo ha un anello a 10 membri affiancato da due anelli a sei membri; e il terzo contiene un anello a quattro membri, un anello a otto membri e due anelli a sei membri.
Piccoli impulsi di tensione possono essere utilizzati per interconvertire questi prodotti. Mettendo a punto la tensione, i ricercatori hanno potuto controllare quali legami sono stati rotti e quale prodotto di riarrangiamento si è formato.
Combinando i loro risultati con calcoli teorici, i ricercatori hanno mostrato che la selettività del metodo dipende dal panorama degli stati energetici che le molecole adottano quando trasportano cariche elettriche diverse, noto come stato di ossidazione. Poiché lo stato di ossidazione iniziale di una molecola può essere controllato da un campo elettrico, questo approccio potrebbe aiutare i chimici a progettare nuove reazioni chimiche e prodotti, afferma Fatayer. Questa ricerca è stata pubblicata sulla copertina di Scienza .
Il suo gruppo sta ora sviluppando modi per aggiungere o rimuovere singoli elettroni a singole molecole e per applicare impulsi di tensione a parti specifiche di una molecola per controllare quale reazione chimica si verifica. + Esplora ulteriormente
