Per i loro esperimenti, gli scienziati IBM hanno utilizzato il microscopio a effetto tunnel combinato (STM) e il microscopio a forza atomica (AFM) costruiti in casa. In questa micrografia a fascio ionico focalizzato, si vede la punta attaccata a un diapason. Il diapason misura pochi millimetri di lunghezza. La piccola punta misura solo un singolo atomo o molecola al suo apice.
(PhysOrg.com) -- Gli scienziati IBM sono stati in grado di misurare per la prima volta come viene distribuita la carica all'interno di una singola molecola. Questo risultato consentirà approfondimenti scientifici fondamentali sulla commutazione di singole molecole e sulla formazione di legami tra atomi e molecole. Per di più, introduce la possibilità di visualizzare la distribuzione di carica all'interno di strutture molecolari funzionali, che sono molto promettenti per applicazioni future come la fotoconversione solare, stoccaggio di energia, o dispositivi di calcolo su scala molecolare.
Come riportato nella rivista Nanotecnologia della natura , scienziati Fabian Mohn, Leone Grosso, Nikolaj Moll e Gerhard Meyer di IBM Research – Zurigo hanno ripreso direttamente la distribuzione di carica all'interno di una singola molecola di naftalocianina utilizzando un tipo speciale di microscopia a forza atomica chiamata microscopia a forza di sonda Kelvin a basse temperature e nel vuoto ultraelevato.
Considerando che la microscopia a effetto tunnel (STM) può essere utilizzata per l'imaging degli orbitali elettronici di una molecola, e la microscopia a forza atomica (AFM) può essere utilizzata per risolverne la struttura molecolare, fino ad ora non è stato possibile visualizzare la distribuzione di carica all'interno di una singola molecola.
"Questo lavoro dimostra un'importante nuova capacità di poter misurare direttamente come la carica si organizza all'interno di una singola molecola", afferma Michael Crommie, Professore di Fisica della Materia Condensata all'Università di Berkeley. “Comprendere questo tipo di distribuzione di carica è fondamentale per capire come funzionano le molecole in ambienti diversi. Mi aspetto che questa tecnica abbia un impatto futuro particolarmente importante nelle molte aree in cui la fisica, chimica, e la biologia si intersecano”.
Infatti, la nuova tecnica insieme a STM e AFM fornisce informazioni complementari sulla molecola, mostrando diverse proprietà di interesse. Questo ricorda le tecniche di imaging medico come i raggi X, risonanza magnetica, o ecografia, che forniscono informazioni complementari sull'anatomia e sulle condizioni di salute di una persona.
“La tecnica fornisce un altro canale di informazioni che migliorerà la nostra comprensione della fisica su scala nanometrica. Sarà ora possibile studiare a livello di singola molecola come viene ridistribuita la carica quando si formano singoli legami chimici tra atomi e molecole sulle superfici. Questo è essenziale mentre cerchiamo di costruire dispositivi su scala atomica e molecolare, ” spiega Fabian Mohn del gruppo Physics of Nanoscale Systems presso IBM Research – Zurigo.
Schema del principio di misura. Ad ogni posizione di punta, lo spostamento di frequenza viene registrato in funzione della tensione di polarizzazione del campione (inserto, cerchi rossi). Il massimo della parabola adattata (riquadro, linea nera continua) fornisce il segnale KPFM V* per quella posizione. Immagine per gentile concessione di IBM Research - Zurigo
La tecnica potrebbe ad esempio essere utilizzata per studiare la separazione e il trasporto di carica nei cosiddetti complessi di trasferimento di carica. Questi sono costituiti da due o più molecole e sono oggetto di un'intensa attività di ricerca perché sono molto promettenti per applicazioni come l'accumulo di energia o il fotovoltaico.
Gerhard Meyer, uno scienziato senior IBM che guida le attività di ricerca STM e AFM presso IBM Research - Zurigo aggiunge:"Il presente lavoro segna un passo importante nel nostro sforzo a lungo termine sul controllo e l'esplorazione di sistemi molecolari su scala atomica con la microscopia a scansione di sonda". eccezionale lavoro sul campo, Meyer ha recentemente ricevuto una sovvenzione avanzata dal Consiglio europeo della ricerca. Queste prestigiose sovvenzioni sostengono "i migliori ricercatori che lavorano alle frontiere della conoscenza" in Europa.*
Dando un'occhiata più da vicino
Per misurare la distribuzione di carica, Gli scienziati IBM hanno utilizzato una progenie di AFM chiamata Kelvin probe force microscopy (KPFM).
Immagini di microscopia di forza della sonda Kelvin della commutazione della tautomerizzazione della naftalocianina. È la prima volta che la distribuzione di carica all'interno di una singola molecola può essere risolta. Quando una punta della sonda di scansione viene posizionata sopra un campione conduttivo, si genera un campo elettrico dovuto ai diversi potenziali elettrici della punta e del campione. Con KPFM questa differenza di potenziale può essere misurata applicando una tensione tale da compensare il campo elettrico. Perciò, KPFM non misura direttamente la carica elettrica nella molecola, ma piuttosto il campo elettrico generato da questa carica. Il campo è più forte sopra le aree della molecola che sono cariche, portando a un segnale KPFM maggiore. Per di più, aree di carica opposta producono un contrasto diverso perché la direzione del campo elettrico è invertita. Questo porta alle aree chiare e scure nella micrografia. Immagine per gentile concessione di IBM Research - Zurigo
Quando una punta della sonda di scansione viene posizionata sopra un campione conduttivo, si genera un campo elettrico dovuto ai diversi potenziali elettrici della punta e del campione. Con KPFM questa differenza di potenziale può essere misurata applicando una tensione tale da compensare il campo elettrico. Perciò, KPFM non misura direttamente la carica elettrica nella molecola, ma piuttosto il campo elettrico generato da questa carica. Il campo è più forte sopra le aree della molecola che sono cariche, portando a un segnale KPFM maggiore. Per di più, aree di carica opposta producono un contrasto diverso perché la direzione del campo elettrico è invertita. Questo porta alle aree chiare e scure nella micrografia (o alle aree rosse e blu in quelle colorate).
Asimmetria nelle immagini di microscopia di forza della sonda Kelvin della commutazione della tautomerizzazione della naftalocianina. È la prima volta che la distribuzione di carica all'interno di una singola molecola può essere risolta. Quando una punta della sonda di scansione viene posizionata sopra un campione conduttivo, si genera un campo elettrico dovuto ai diversi potenziali elettrici della punta e del campione. Con KPFM questa differenza di potenziale può essere misurata applicando una tensione tale da compensare il campo elettrico. Perciò, KPFM non misura direttamente la carica elettrica nella molecola, ma piuttosto il campo elettrico generato da questa carica. Il campo è più forte sopra le aree della molecola che sono cariche, portando a un segnale KPFM maggiore. Per di più, aree di carica opposta producono un contrasto diverso perché la direzione del campo elettrico è invertita. Questo porta alle aree rosse e blu nella micrografia. Immagine per gentile concessione di IBM Research - Zurigo
naftalocianina, una molecola organica simmetrica a forma di croce che è stata utilizzata anche nell'interruttore logico a molecola singola di IBM**, è risultato essere un candidato ideale per questo studio. Presenta due atomi di idrogeno opposti l'uno all'altro al centro di una molecola che misura solo due nanometri. Gli atomi di idrogeno possono essere commutati in modo controllabile tra due diverse configurazioni applicando un impulso di tensione. Questa cosiddetta tautomerizzazione influenza la distribuzione di carica nella molecola, che si ridistribuisce tra le gambe opposte delle molecole mentre gli atomi di idrogeno cambiano posizione.
Usando KPFM, gli scienziati sono riusciti a immaginare le diverse distribuzioni di carica per i due stati. Per ottenere la risoluzione submolecolare, nel corso dell'esperimento è stato richiesto un alto grado di stabilità termica e meccanica e precisione atomica dello strumento, che durò parecchi giorni. Inoltre, l'aggiunta di una sola molecola di monossido di carbonio all'apice della punta ha migliorato notevolmente la risoluzione. Nel 2009, il team ha già dimostrato che questa modifica della punta ha permesso loro di risolvere l'"anatomia" - le strutture chimiche - delle molecole con AFM. I presenti risultati sperimentali sono stati corroborati dai calcoli della teoria del funzionale della densità del primo principio eseguiti da Fabian Mohn insieme a Nikolaj Moll del gruppo Computational Sciences presso IBM Research – Zurigo.
Spingendo le frontiere della nanoscienza con le tecniche della sonda a scansione
“Con l'emergere della microscopia a scansione di sonda e delle tecniche correlate negli anni '80, la porta del nanomondo è stata spalancata, ” affermava l'articolo introduttivo della prima edizione di Nature Nanotechnology nel 2006***.
L'STM e la sua progenie, l'AFM, sono i due cavalli di battaglia della ricerca su scala atomica e molecolare. L'STM, inventato da Gerd Binnig e Heinrich Rohrer presso IBM Research – Zurigo nel 1981, ha permesso agli scienziati per la prima volta di visualizzare i singoli atomi su una superficie. Il microscopio rivoluzionario, per il quale i due scienziati ricevettero nel 1986 il Premio Nobel per la fisica, ha ampliato i confini della nostra conoscenza rivelando le proprietà di superfici e molecole o atomi adsorbiti su di esse con risoluzione atomica.
L'STM, però, non è un microscopio tradizionale. Piuttosto che mostrare un'immagine diretta, usa una punta molto affilata, con solo uno o pochi atomi al suo apice, per scansionare la superficie di un materiale. Portando la punta molto vicino alla superficie del campione e applicando una tensione di polarizzazione, un flusso di corrente può essere misurato tra la punta e il campione a causa dell'effetto quantomeccanico del tunneling elettronico. Mantenere costante questa corrente di tunneling e registrare il movimento verticale della punta attraverso la superficie consente di studiare la struttura della superficie, atomo per atomo. Guarda il video dimostrativo
L'STM può anche essere utilizzato per manipolare singoli atomi e molecole. Nel 1989, Lo scienziato IBM Don Eigler in un famoso esperimento ha usato il suo STM a bassa temperatura di nuova concezione per posizionare 35 atomi di xeno per scrivere "IBM". Guarda il video dimostrativo
Nel 1985, l'AFM è stato inventato da Gerd Binnig. Piuttosto che misurare una corrente di tunneling, l'AFM utilizza una punta affilata attaccata a un cantilever per misurare le minuscole forze tra la punta e il campione per creare un'immagine. Guarda il video dimostrativo
Con l'evoluzione di STM e AFM, le loro capacità e quelle delle relative tecniche di scansione delle sonde hanno notevolmente migliorato le capacità degli scienziati di esplorare un'ampia varietà di strutture e proprietà su scala atomica. Offrono un incredibile potenziale per la prototipazione di strutture funzionali complesse e per adattare e studiare le loro proprietà elettroniche e chimiche su scala atomica, che sarà essenziale per creare nuovi dispositivi e sistemi su nanoscala che supereranno quelli che esistono oggi nella tecnologia dell'informazione, medicinale, tecnologie ambientali, il settore energetico e non solo.
