p Observar a estrutura de núcleos atômicos instáveis ​​em colapso usando elétrons é uma meta experimental que não foi alcançada em nenhum lugar do mundo. Masanori Wakasugi, diretor do Grupo de Desenvolvimento de Instrumentação do RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science (RNC), está trabalhando nesta questão desafiadora. p O modelo teórico atual do núcleo atômico foi construído com grandes contribuições de experimentos de espalhamento de elétrons, em que os elétrons são colididos com núcleos atômicos estáveis ​​para visualizar a estrutura nuclear. Nos últimos anos, Contudo, uma ampla gama de experimentos sobre as propriedades de núcleos atômicos instáveis ​​revelou uma série de fenômenos que são inconsistentes com o modelo atual do núcleo atômico.

p Experimentos de espalhamento radioisótopo-elétron em que os elétrons colidem com núcleos instáveis ​​são indispensáveis ​​para estabelecer o modelo final do núcleo atômico, que irá render uma compreensão abrangente dos núcleos estáveis ​​e instáveis. Wakasugi e seus colegas estão adotando abordagens exclusivas para realizar esse experimento pioneiro no mundo.

p Observando as reações químicas de moléculas individuais

p “Quando eu estava no colégio, Aprendi a fórmula química para a eletrólise da água, ”Diz Kim. Essa fórmula é H2O → H2 + 1 / 2O2. “Perguntei ao meu professor por que precisamos multiplicar o O2 pela metade. A professora respondeu que o oxigênio é multiplicado pela metade porque quando a água é eletrolisada, hidrogênio e oxigênio são produzidos na proporção de dois para um. Contudo, Eu pensei, e se uma única molécula de água for eletrolisada? Essa pergunta me incentivou a observar o processo de uma reação química na escala de uma única molécula ”.

p Kim foi para o Departamento de Química da Universidade Nacional de Seul, onde se formou em eletroquímica. “Naquela época, Eu conduzi experimentos que usaram um circuito elétrico, como na eletrólise da água, para controlar uma reação química em uma solução e examinar a reação química dos produtos de reação. Esta abordagem, Contudo, não fornece informações sobre como as moléculas individuais estão envolvidas em uma reação química. Nós podemos apenas conjeturar. ”

p Depois de terminar seu programa de mestrado na Universidade Nacional de Seul, ele visitou o Japão em 1996 e começou a pesquisar na Universidade de Tóquio sob a supervisão de Akira Fujishima, agora presidente da Universidade de Ciência de Tóquio, que era conhecido como o ‘pai do fotocatalisador’. Fotocatálise é um processo pelo qual as moléculas podem ser quebradas na superfície de um material fotoativo, como óxido de titânio, na exposição à luz. “Originalmente, planejei fazer um estudo aprofundado dos fotocatalisadores. Contudo, O Prof. Fujishima sugeriu que eu fizesse mais pesquisas básicas porque minha formação era em ciências. Então, decidi estudar os fenômenos físicos que ocorrem quando a superfície de uma substância é exposta à luz. ”

p Reagindo uma única molécula

p “Quando eu estava no terceiro ano do meu programa de doutorado, Me deparei com um artigo muito intrigante relatando que um microscópio de tunelamento de varredura foi usado com sucesso para observar a "vibração molecular" de uma única molécula. Imediatamente pensei que era isso que eu realmente queria fazer. ”

p Um microscópio de tunelamento de varredura (STM) é uma técnica de imagem que permite que a estrutura microscópica da superfície de uma substância seja mapeada em resoluções que se aproximam da escala de átomos individuais. Mas esta não é a única função do STM; também pode ser usado para identificar os tipos de moléculas presentes com base na vibração molecular.

p Em STM, uma voltagem é aplicada a uma ponta de prova muito afiada que é trazida muito perto de uma molécula em uma superfície. Os elétrons da sonda fluem para a molécula alvo, produzindo o que é chamado de "corrente de túnel", referindo-se à maneira como os elétrons parecem "tunelar" através da barreira de energia clássica necessária para que tal corrente flua. Esta corrente induz uma vibração molecular, fazendo com que todos os átomos individuais da molécula alvo sejam deslocados de suas posições de equilíbrio. A intensidade da vibração molecular correspondente a uma dada voltagem depende do tipo de molécula ou das ligações químicas dentro da molécula. O tipo de molécula pode, portanto, ser identificado pela observação da vibração molecular.

p “Eu estava procurando um laboratório de pesquisa onde pudesse usar STM no Japão quando o Prof. Fujishima me apresentou ao Laboratório de Química de Superfície da RIKEN, liderado na época pelo cientista-chefe Maki Kawai, que agora é um Diretor Executivo da RIKEN. ”

p Depois de ingressar no Laboratório de Química de Superfície em 1999, Kim desenvolveu tecnologias STM junto com Tadahiro Komeda, um cientista pesquisador no laboratório e agora um professor na Tohoku University. Lá, Kim observou vibrações moleculares para identificar com sucesso moléculas individuais nesta base. Ele também conseguiu injetar elétrons em um local específico de uma molécula, assim, transformando-o em uma molécula diferente.

p “Removemos dois átomos de hidrogênio de uma molécula de trans-2-buteno que consiste em quatro átomos de carbono e oito átomos de hidrogênio para produzir um 1, Molécula de 3-butadieno que consiste em quatro átomos de carbono e seis átomos de hidrogênio. Usamos STM para causar uma reação química conforme pretendido em uma única molécula, observou os sinais vibracionais antes e depois da reação, e identificou o tipo de molécula com sucesso pela primeira vez. ”

p Kim atribui o sucesso em obter a reação química desejada ao trabalho anterior do laboratório em catálise. “Colocamos uma molécula na superfície do paládio, que serviu de catalisador para a reação química. O Laboratório de Química de Superfície começou originalmente como um laboratório de pesquisa de catalisadores, e devemos muito ao enorme acúmulo de conhecimento sobre moléculas e catalisadores na superfície das substâncias. ”

p Controlando moléculas individuais

p Ainda restava um desafio técnico a ser superado na observação das vibrações moleculares pelo STM. “Quando os elétrons são injetados de uma ponta de sonda STM em uma molécula, algumas moléculas começam a se mover antes que suas vibrações moleculares sejam observadas. Encontrar uma maneira eficaz de observar essas moléculas instáveis ​​foi um grande problema para nós. ”

p Kim e seus colegas de laboratório examinaram o nível de energia do elétron que faz com que a molécula se mova. “Como resultado, descobrimos que a molécula se move a um nível de energia do elétron injetado igual ao que causa a vibração molecular mais forte. ”Com base nesses experimentos, eles estabeleceram um método de medição único chamado 'espectroscopia de ação'. “Esse método de medição permitiu que identificássemos todos os tipos de moléculas, moléculas estáveis ​​e instáveis, e examinar suas características essenciais. ”

p Quando os elétrons são injetados de uma ponta de sonda STM em uma molécula, a molécula pode se mover em várias direções. “Não podemos controlar a direção do movimento de uma molécula, mas encontramos esse problema apenas quando a ponta da sonda STM é colocada logo acima da molécula. So we placed the STM probe tip obliquely upward and used the electrostatic force acting between the probe tip and the molecule. This approach also enabled us to control the direction of movement of the molecule successfully.”

p Kim’s team has used this technique to draw letters by moving molecules. In the late 1980s, a paper was published describing an experiment in which the atoms forming a molecule were moved by STM to construct letters. In that experiment, the letters were created by drawing the atoms closer to the probe tip or by using the tip to shape the atoms. “We constructed our letters by moving the molecules themselves in the desired direction on a surface. This cannot be achieved without a complete understanding of the nature of molecules and the interaction between electrons and molecules.” In the future, this technique will be applied in the fabrication of computer circuits by arranging molecules.

p Electrolyzing single water molecules

p Em 2009, Kim started the experiment that he first imagined when he was in junior high school—the experiment to electrolyze a single water molecule. “In electrolyzing a single water molecule, there are two possible reaction pathways, ” he says. Those pathways are H2O → 2H + O, and H2O → H + OH. In the former reaction, the two hydrogen atoms are separated from the single oxygen atom, and can be achieved by injecting electrons with high energy. The difficulty is how to produce the other reaction pathway.

p Electrons injected into a molecule from an STM tip cause the molecule to start vibrating in an excited state. If the duration of the excited state (vibrational lifetime) is long enough, the molecular vibration causes the bonds between the atoms to break down, which increases the probability of a chemical reaction occurring. “When a single water molecule is placed on the surface of a metal, the water molecule cannot be broken down because of its short vibrational lifetime. This is because the water molecule binds chemically to the metal surface, and the energy of the injected electrons is easily dissipated into the metal surface.”

p Placing a water molecule on the surface of an insulator instead of a metal can increase the vibrational lifetime because no chemical reactions can occur and no electronic energy is absorbed. Contudo, a tunneling current cannot flow from the STM probe tip in this case because the water molecule is on an insulator. “To cope with this problem, we developed a metal surface coated with an ultrathin film of magnesium oxide just two atoms thick. A water molecule on this surface produces a small tunneling current in STM.”

p Teoricamente, a water molecule can be electrolyzed when injected with an electron having an energy of 0.77 electronvolts or more. On the ultrathin MgO film, Contudo, the water molecule broke down at just 0.45 electronvolts. “We attributed this to a multi-step excitation process in which the water molecule is excited by the first injected electron and then by the following injected electron while the water molecule is still in the vibrationally excited state, because the electron energy is slowly dissipated owing to the ultrathin insulating film surface and hence the vibrational lifetime is increased.”

p The results of their experiments showed exactly what they were looking for. “Using this approach, we succeeded in separating a single hydrogen atom from a single water molecule, ” says Kim. These results confirmed the H2O → H + OH reaction pathway experimentally for the first time, and could lead to the development of technologies for producing hydrogen fuel with the minimum consumption of energy.

p Practical applications of single-molecule experiments

p Em 2010, Kim started the Surface and Interface Science Laboratory at the RIKEN Advanced Science Institute. “We are working on new research into the interaction between light and substances. Many researchers have already investigated this subject. Contudo, there have been virtually no reports on experiments that examine the interaction between light and substances while observing individual molecules.”

p Photocatalysts are a firm research target. “In Prof. Fujishima’s laboratory, I used to watch how he advanced his own research into photocatalysts around him. Desta vez, I intend to conduct research into the essence of photocatalysts in my own right based on the technology and experience I gained over the years at RIKEN.”

p On a single-molecular scale, nobody knew the position on titanium oxide at which a photocatalytic reaction occurs. “It has been considered for years that the photocatalytic reaction occurs at positions where oxygen atoms are missing on the surface of titanium oxide because electrons concentrate at those positions. Our experiments with an STM probe tip clarified that photocatalytic reactions actually occur across wide electronically active areas around the positions where oxygen atoms are missing.”

p The Surface and Interface Science Laboratory is also conducting research into organic solar cells. “What types of molecules are most effective and how should we arrange them to increase power generation efficiency? Many researchers from around the world have wanted to perform single-molecule experiments while observing individual molecules, but such experiments have been too difficult to handle. We have accumulated STM technology that I am confident will enable such experiments.”

p Toward ‘sci-engineering’

p “So far, I have focused on research into the essence of chemistry. In the future I also plan to start research that helps us link that knowledge to practical applications. This idea was triggered by a meeting with Dr Takanori Fukushima from the Energy Conversion Research Team. He specializes in organic synthesis and can synthesize any organic molecule. I always have a good time with him, talking about our dreams.”

p Molecules and matter exhibit different characteristics on the nanometer or molecular scale compared with the macroscale behavior scientists are most familiar with. This is the reason for the widespread scientific interest in nanotechnology over the past ten years, and the origin of the expectations for a nanotechnology revolution.

p “These expectations, Contudo, are now on the point of fading because the findings to date have fallen short of society’s expectations. Although many theoretical papers have been published on what is actually going on in the nanometer world, only a few study have been reported because of the technical difficulty in directly observing the nature and functions of individual molecules. Many conventional application studies have been conducted without fully understanding the basic mechanisms of nanotechnology. I plan to make use of the STM to study the nature of individual molecules and open a new frontier in nanoscience that will allow us to explore the essence of the nanoworld.

p “RIKEN launched systematic research into nanoscience before anywhere else in the world, ” Kim points out. “In 1993, Dr Kawai, now an Executive Director of RIKEN, started the Atomic Scale Sci-engineering Research and Promotion Group together with Chief Scientist Masakazu Aono, now a fellow at the National Institute for Materials Science, and Chief Scientist Katsunobu Aoyagi, who is now professor at Ritsumeikan University. ‘Sci-engineering’ is a term implying that research into the essence of a phenomenon should come first, and then engineering should follow from the results. I would like to follow the research concept of sci-engineering in the Surface and Interface Science Laboratory.