Quasi chiaramente come un diagramma da manuale, questa immagine realizzata da un microscopio a forza atomica senza contatto rivela le posizioni dei singoli atomi e legami, in una molecola avente 26 atomi di carbonio e 14 atomi di idrogeno strutturata come tre anelli benzenici collegati. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory e Università della California a Berkeley
Quando Felix Fischer del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha deciso di sviluppare nanostrutture fatte di grafene utilizzando un nuovo, approccio controllato alle reazioni chimiche, il primo risultato è stato una sorpresa:immagini spettacolari dei singoli atomi di carbonio e dei legami tra di loro.
"Non stavamo pensando di fare belle immagini; le reazioni stesse erano l'obiettivo, "dice Fischer, uno scienziato dello staff della divisione di scienze dei materiali (MSD) del Berkeley Lab e professore di chimica all'Università della California, Berkeley. "Ma per vedere davvero cosa stava succedendo a livello di singolo atomo abbiamo dovuto usare un microscopio a forza atomica particolarmente sensibile nel laboratorio di Michael Crommie". Crommie è uno scienziato MSD e professore di fisica all'Università di Berkeley.
Quello che il microscopio ha mostrato ai ricercatori, dice Fischer, "era fantastico." Gli esiti specifici della reazione erano essi stessi inaspettati, ma l'evidenza visiva lo era ancora di più. "Nessuno ha mai preso direttamente, immagini risolte con un singolo legame di singole molecole, subito prima e subito dopo una complessa reazione organica, "dice Fischer.
I ricercatori riportano i loro risultati nel 7 giugno, Edizione 2013 della rivista Scienza , disponibile in anticipo su Science Express .
Nanostrutture di grafene dal basso verso l'alto
Le nanostrutture di grafene possono formare i transistor, porte logiche, e altri elementi di dispositivi elettronici squisitamente minuscoli, ma per diventare pratici dovranno essere prodotti in serie con precisione atomica. Hit or miss, tecniche dall'alto verso il basso, come la grafite esfoliante o la decompressione dei nanotubi di carbonio, non può fare il lavoro.
Fischer e i suoi colleghi hanno deciso di progettare nanostrutture di grafene dal basso verso l'alto, convertendo catene lineari di atomi di carbonio in fogli esagonali estesi (idrocarburi poliaromatici), utilizzando una reazione originariamente scoperta dal professore Robert Bergman dell'Università di Berkeley. Il primo requisito era quello di eseguire le reazioni in condizioni controllate.
La molecola reagente originale, appoggiato su una superficie piatta d'argento, viene ripreso sia prima che dopo la reazione, che si verifica quando la temperatura supera i 90 gradi Celsius. Sono mostrati i due prodotti finali più comuni della reazione. Le barre della scala di tre angstrom (un angstrom è un decimiliardesimo di metro) indicano che le molecole del reagente e del prodotto hanno un diametro di circa un miliardesimo di metro. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory e Università della California a Berkeley
"In soluzione, più di una dozzina di composti potrebbero essere i prodotti della reazione che stavamo usando, e caratterizzare i risultati sarebbe difficile, " dice Fischer. "Invece di una soluzione 3D abbiamo creato un sistema 2D. Mettiamo la nostra molecola di partenza" - una struttura chiamata oligo-enediyne, composto da tre anelli benzenici legati da atomi di carbonio - "su una superficie d'argento, e poi reazioni indotte riscaldandolo."
Il gruppo di Fischer ha collaborato con l'esperto di microscopia Crommie per ideare la migliore visione possibile. Il primo tentativo di tracciare le reazioni ha utilizzato un microscopio a effetto tunnel (STM), che rileva gli stati elettronici quando viene portato a pochi miliardesimi di metro (nanometri) dalla superficie del campione. Ma la risoluzione dell'immagine della minuscola molecola e dei suoi prodotti, ciascuno di circa un nanometro di diametro, non era abbastanza buona per identificare in modo affidabile le strutture molecolari.
I collaboratori si sono quindi rivolti a una tecnica chiamata microscopia a forza atomica senza contatto (nc-AFM), che sonda la superficie con una punta acuminata. La punta viene deviata meccanicamente da forze elettroniche molto vicine al campione, muovendosi come l'ago di un fonografo in un solco.
"Una molecola di monossido di carbonio adsorbita sulla punta dell'"ago" dell'AFM lascia un singolo atomo di ossigeno come sonda, "Spiega Fischer. "Spostare questo 'dito atomico' avanti e indietro sulla superficie argentata è come leggere il Braille, come se sentissimo le piccole protuberanze su scala atomica prodotte dagli atomi." Fischer osserva che l'imaging AFM ad alta risoluzione è stato eseguito per la prima volta dal gruppo di Gerhard Meyer presso l'IBM di Zurigo, "ma qui lo stiamo usando per capire i risultati di una reazione chimica fondamentale."
La punta a singolo atomo del microscopio a forza atomica senza contatto "sente" i cambiamenti nella forza delle forze elettroniche mentre si muove attraverso la superficie ad un'altezza costante. I movimenti risultanti dello stilo vengono rilevati da un raggio laser per calcolare le immagini. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory e Università della California a Berkeley
Il dito mobile a singolo atomo dell'nc-AFM potrebbe sentire non solo i singoli atomi ma le forze che rappresentano i legami formati dagli elettroni condivisi tra loro. Le immagini risultanti avevano una sorprendente somiglianza con i diagrammi di un libro di testo o sulla lavagna, usato per insegnare chimica, tranne che qui non è richiesta immaginazione.
Dice Fischer, "Ciò che vedi è ciò che hai:gli effetti delle forze degli elettroni tra gli atomi, e anche l'ordine delle obbligazioni. Puoi distinguere singolo, Doppio, e tripli legami."
Un legame chimico non è un concetto così semplice come potrebbe sembrare, però. Dalle decine di possibilità, la reazione della molecola di partenza non ha prodotto quelli che intuitivamente erano sembrati a Fischer e ai suoi colleghi i prodotti più probabili. Anziché, la reazione ha prodotto due molecole diverse. La superficie piatta argentata aveva reso visibile la reazione, ma l'aveva anche modellata in modi inaspettati.
La microscopia nc-AFM ha fornito una sorprendente conferma visiva dei meccanismi alla base di queste reazioni chimiche organiche sintetiche, ei risultati inaspettati hanno rafforzato la promessa di questo nuovo potente metodo per costruire dispositivi elettronici avanzati su nanoscala dal basso verso l'alto.
Prima che nanostrutture grafitiche molto più complesse possano derivare da questo approccio unico, dice Fischer, "Grandi scoperte ci attendono."
