Атомні мікроскопи давно вміють отримувати фотографії атомів або молекул, але й людям не вдавалося зафіксувати чітку картину розташування і пересування зарядів всередині одиничної молекули. Для цього вчені використовували комбінацію різних методів зйомки.
Молекула нафталоцианина до (b) і після (c) перемикання стану таутомеризации. d – картина різниці зарядів, отримана відніманням c з b. e – розрахункова асиметрія електричного поля вільної молекули. У верхніх частинах малюнків стягнуто з позиції окремих атомів. Вуглець, водень і азот — сірий, білий і сині кружки відповідно. Масштабні лінійки — 0,5 нм (фотографії Fabian Mohn et al./ Nature Nanotechnology).
Дослідники з лабораторії IBM в Цюріху (IBM Research — Zurich) схрестили скануючу тунельну, атомно-силову і силову мікроскопію з зондом Кельвіна (KPFM), завдяки чому виміряли розподіл електричних зарядів усередині молекули нафталоцианина (naphthalocyanine, C48H26N8).
Нафталоцианин помістили на дуже тонкий шар ізолятора (NaCl), в свою чергу, лежить на провідній підкладці з міді. Між підкладкою і наконечником мікроскопа — вістрям у мільярдні частки метра — було докладено напруга (комбінація змінного та постійного).
Наконечник, що підходить до молекулі впритул, але не стосується її, утворив разом з нею конденсатор. Його параметри залежали від розташування зарядів в тій чи іншій точці зразка.
Напруга на наконечнику змушувало його вібрувати. І частота цієї вібрації визначалася не тільки параметрами прикладеної напруги і механічними властивостями консолі, але і різницею потенціалів на обкладках конденсатора, а фактично – розташуванням зарядів всередині досліджуваної молекули.
Схема досвіду. У кожній точці майбутньої картини (позиції вимірювання відмічені червоним) фізики отримували криву залежності відхилення частоти вібрації консолі від величини електричного напруги. Точка перегину на графіку дозволяла вирахувати електричний заряд в цій точці нафталоцианина. Всі вимірювання проводилися при температурі 5 кельвінів (ілюстрація Fabian Mohn et al./ Nature Nanotechnology).
Експериментатори повідомляють, що раніше подібним способом вчені вже вимірювали локальну різницю контактних потенціалів для широкого спектру поверхонь, і навіть виявляли стану одиничних атомів, викладених на підкладку, але досі ще не демонстрували KPFM-зображення цілих молекул з субмолекулярным роздільною здатністю.
За інформацією BBC News, таким методом вчені не тільки створили електричний портрет нафталоцианина, але і поспостерігали, як той змінюється, якщо безпосередньо до самої молекулі теж докласти невелика напруга.
У такій ситуації зовнішній потенціал змушував атоми водню в центрі X-подібної молекули помінятися місцями (явище таутомеризации), що провокувало перерозподіл зарядів у всій молекулі. І це рух електронів вчені також успішно відзняли.
«Тепер можливо дослідити на рівні молекули, як заряд перерозподіляється, коли окремі хімічні зв’язки утворюються між атомами і молекулами на поверхні, — говорить провідний автор роботи Фабіан Мон (Fabian Mohn). — Це важливо, оскільки ми прагнемо до створення атомних і молекулярних пристроїв». (Деталі експерименту можна знайти в статті в Nature Nanotechnology.)
Додамо, що та ж сама група фізиків раніше першої зняла анатомію молекули. Нинішнє досягнення є розвитком того експерименту.
