Физики измерили механическое усилие, разрывающее химическую связь
Исследователи измерили механическое воздействие, прилагаемое для разрыва химической связи между окисью углерода и фталоцианином железа
Исследователи из Принстонского университета, Техасского университета в Остине и ExxonMobil измерили характеристики разрывов одинарной химической связи между атомом углерода и атомом железа в разных молекулах. Описание результатов опубликовано в журнале Nature Communications.
Для наблюдений использовался сканирующий атомно-силовой микроскоп Принстона. Зонд микроскопа оканчивается отдельным атомом меди. Его постепенно пододвигали к связи между железом и углеродом, пока она не разрушилась. Исследователи измерили механическую силу, приложенную в этот момент. На изображении, полученном микроскопом, видно момент нарушения связи.
Атомный микроскоп позволяет контролировать расстояние между окончанием зонда и связанными молекулами с точностью до 5 пикометров. Разрыв связи произошёл, когда зонд находился на расстоянии в 30 пикометров от молекул. Это примерно одна шестая часть ширины атома углерода. Именно в этот момент изображение фталоцианина железа размылось, что указало на разрыв химической связи.
Принстонский атомно-силовой микроскоп работает по бесконтактному методу — для построения изображений он использует изменения частоты мелких вибраций молекул. Также отслеживание этих вибраций позволило исследователям измерить величину механического воздействия, необходимого для разрыва химической связи. Стандартный медный зонд разорвал связь между углеродом и железом с усилием в 150 пиконьютонов. После присоединения другой молекулы оксида углерода к наконечнику зонда, связь была разорвана с усилием в 220 пиконьютонов.
Атом углерода в эксперименте был частью молекулы оксида углерода, а атом железа принадлежал фталоцианину, распространённому пигменту и катализатору. Его структура похожа на симметричный крест, в центре которого находится атом железа, а вокруг него — сложным образом соединённые друг с другом азотные и углеродные кольца. Атом железа взаимодействует с атомом углерода из оксида углерода через общую пару электронов. Такое ковалентное соединение называется донорно-акцепторным взаимодействием.
По словам соавтора работы Крейга Арнольда, профессора машиностроения и авиастроения из Принстона, изображение получилось невероятным. Удивительно иметь возможность увидеть отдельную молекулу с присоединённой к ней другой молекулой.
Арнольд добавил, что возможность измерить точные характеристики этой конкретной связи через её разрыв позволит учёным гораздо лучше разобраться в природе этих связей, их силе, их взаимодействия.
Нан Яо, главный научный сотрудник и директор Принстонского центра микроскопии и анализа, отметил, что в этих экспериментах стало понятнее, как разрыв связей влияет на взаимодействие катализатора с поверхностью, его поглощающей. Все эти сведения будут полезными для биохимии, материаловедения и энергетики.
