Raziskovalci beležijo prekinitev enojne kemijske vezi – “neverjetno”

Raziskovalci so izmerili mehanske sile, ki delujejo na prekinitev vezi med ogljikovim monoksidom in železovim ftalocianinom, ki se pojavi kot simetrični križ na slikah skenirnega sondarskega mikroskopa, posnetih pred in po prekinitvi vezi. zasluga: Pengcheng Chen et al.

Uporaba naprednih tehnik mikroskopije Univerza PrincetonRaziskovalci beležijo prekinitev posameznih kemičnih vezi med ogljiki jedrski in atom železa na različnih molekulah.

Ekipa je uporabila mikroskop atomske sile z visoko ločljivostjo (AFM), ki je deloval v nadzorovanem okolju v Princetonovem centru za slikanje in analizo. Sonda AFM, katere konica se konča v bakrovem atomu, se je počasi približala vezi železo-ogljik, dokler se ni zlomila. Raziskovalci so izmerili mehanske sile, ki so delovale v času razpoke, kar je bilo vidno na sliki, zajeti z mikroskopom. Ekipa z univerze Princeton, univerze Texas-Austin in ExxonMobil je rezultate objavila v prispevku, objavljenem 24. septembra 2021. komunikacija v naravi.

“To je neverjetna podoba-res je neverjetno, da lahko na površini vidite majhno molekulo,” je dejal soavtor Craig Arnold, profesor strojne in vesoljske tehnike Susan Dodd Brown in direktor Inštituta Princeton. Znanost in tehnologija materialov (PRISM).

“Dejstvo, da lahko označimo to posebno vez, tako da jo raztegnemo in poudarimo, nam omogoča, da veliko razumemo naravo teh vrst vezi – njihovo moč, kako medsebojno delujejo. – in ima različne učinke, zlasti za katalizo, kjer imate molekulo na površini, nato pa nekaj sodeluje z njo in povzroči njeno razpadanje, “je dejal Arnold.

Nan Yao, glavna raziskovalka študije in direktorica Princetonovega centra za slikanje in analizo, je ugotovila, da poskusi razkrivajo tudi, kako prekinitev vezi vpliva na interakcijo katalizatorja s površino, na kateri je adsorbiran. Izboljšanje zasnove kemičnih katalizatorjev je pomembno za biokemijo, znanost o materialih in energetske tehnologije, je dejal Yao, ki je tudi profesor prakse in višji raziskovalec na PRISM.

READ  SpaceX je pred prvim zlaganjem izstrelil ojačevalne dele Starship Super Heavy

V poskusih je bil ogljikov atom del molekule ogljikovega monoksida, atom železa pa iz železovega ftalocianina, običajnega pigmenta in kemičnega katalizatorja. Železov ftalocianin je strukturiran kot simetrični križ, z atomom železa v središču kompleksa spojenih obročev na osnovi dušika in ogljika. Atom železa medsebojno deluje z ogljikom ogljikovega monoksida, železo in ogljik pa delita elektrone v vrsti kovalentne vezi, znani kot osnovna vez.

Yao in njegovi sodelavci so uporabili konico sonde v atomski lestvici instrumenta AFM za prekinitev vezi želez-ogljik z zmanjšanjem razdalje med konico in vezanimi molekulami na korake po 5 pikometrov (5 milijarditih milimetrov). Do razpoke je prišlo, ko je bila konica 30 pikometrov nad molekulami-razdalja, ki ustreza približno eni šestini širine ogljikovega atoma. Na tej višini se je polovica molekule železovega ftalocianina na sliki AFM zameglila, kar kaže na prelomno točko kemične vezi.

Raziskovalci so uporabili vrsto AFM, znano kot nekontaktna, pri kateri konica mikroskopa ne deluje neposredno z molekulami, ki jih preučujemo, temveč z drobnimi vibracijami, da bi ustvarili podobo površine molekul.

Z merjenjem teh frekvenčnih premikov so raziskovalci lahko izračunali tudi silo, potrebno za prekinitev vezi. Standardna konica bakrene sonde je prekinila vez železa in ogljika s privlačno silo 150 piconewton. Z drugo molekulo ogljikovega monoksida, pritrjeno na konico, je vez pretrgala sila odbijanja 220 pikonewtonov. Da bi prišli do osnove teh razlik, je ekipa uporabila kvantne simulacijske metode za modeliranje sprememb gostote elektronov med kemičnimi reakcijami.

izkorišča delo AFM tehnologija je prvič napredovala leta 2009 Vizualizacija posameznih kemičnih vezi. Nadzor kemijske vezi s sistemom AFM je bil zahtevnejši od podobnih študij o nastanku vezi.

“Velik izziv je izboljšati naše razumevanje, kako lahko kemične reakcije izvedemo z jedrsko manipulacijo, torej s konico skenirajočega sondnega mikroskopa,” je dejal Leo Gross, ki vodi raziskovalno skupino za atomsko in molekularno manipulacijo pri IBM -u. Raziskave v Zürichu in 2009. je bil glavni avtor Študij Kdo je prvi rešil kemijsko zgradbo molekule z AFM.

READ  Zemlja se vrti leta 2020, morda bomo potrebovali "negativne prestopne sekunde"

Nova študija z ločitvijo določene vezi z različnimi nasveti, ki uporabljajo dva različna mehanizma, prispeva k “izboljšanju našega razumevanja in nadzora cepitve vezi z jedrsko manipulacijo”. Dodaja v našo zbirko orodij za kemijo z atomsko manipulacijo in predstavlja korak naprej k ustvarjanju oblikovanih molekul vse večje kompleksnosti, “je dejal Gross, ki ni bil vključen v študijo.

Poskusi so zelo občutljivi na zunanje vibracije in druge zmedene dejavnike. Posebna oprema centra za slikanje in analizo AFM je postavljena v visoko vakuumsko okolje, material pa se ohladi na temperaturo 4 Kelvina, nekaj stopinj nad tem. absolutna ničlaUporaba tekočega helija. Ti nadzorovani pogoji omogočajo natančne meritve, saj zagotavljajo, da na energetska stanja in interakcije molekul vplivajo le eksperimentalne manipulacije.

“Potrebujete zelo dober, čist sistem, ker je ta reakcija lahko zelo zapletena – s toliko atomi ne bi vedeli, kakšno vezo prekinete v tako majhnem obsegu,” je dejal Yao. “Zasnova tega sistema je poenostavila in razjasnila neznano” v celotnem procesu prekinitve kemijske vezi, je dejal.

Reference: Pengcheng Chen, Dingxin Fan, Yunlong Zhang, Annabella Celoni, Emily A. Carter, Craig B. Arnold, David C. Dankworth, Steven P. Rucker, James R. “Prekinitev osnovne vezi z mehansko silo” Chelikowskega in Nan. Yao, 24. septembra 2021, komunikacija v naravi.
DOI: 10.1038/s41467-021-25932-6

Vodilna avtorja študije sta bila Pengcheng Chen, pridružena raziskovalka na PRISM, in Dingxin Fan, doktor znanosti. študent na Univerzi Texas-Austin. Poleg Yaoja so bili drugi ustrezni avtorji Yunlong Zhang iz ExxonMobil Research and Engineering Company v Annadaleu v New Jerseyju in profesor James R. Chelikowski iz UT Austin. Poleg Arnolda so soavtorji na Princetonu še Annabella Celloni, David B. Jones profesor kemije in Emily Carter, Gerhard R. Endlinger je bil ’52 profesor za energijo in okolje. Drugi soavtorji iz ExxonMobila sta bila David Dankworth in Steven Rooker.

READ  Sončni orbiter ujame bleščanje Venere, ko gre mimo najbolj vročega planeta v našem osončju

To delo je delno podprl ExxonMobil s članstvom v Princetonovem e-pridruženem partnerstvu Endlingerjevega centra za energijo in okolje. Center za slikanje in analizo Univerze Princeton podpira Princetonov center za kompleksne materiale, Nacionalni znanstveno -inženirski center za raziskave materialov. Dodatno podporo sta zagotovila fundacija Welch in ameriško ministrstvo za energijo.

Mojca Andreja

Nagnjena je k apatiji. Nevidni raziskovalec. Vseživljenjski guru slanine. Potovalni odvisnik. Organizator. "

Related Posts

Dodaj odgovor

Vaš e-naslov ne bo objavljen. * označuje zahtevana polja

Read also x