Para seus experimentos, os cientistas da IBM usaram seu microscópio de tunelamento de varredura combinado (STM) e microscópio de força atômica (AFM). Nesta micrografia de feixe de íons focalizado, a ponta presa a um diapasão pode ser vista. O diapasão mede alguns milímetros de comprimento. A ponta minúscula mede apenas um único átomo ou molécula em seu ápice.
(PhysOrg.com) - Cientistas da IBM conseguiram medir pela primeira vez como a carga é distribuída dentro de uma única molécula. Essa conquista possibilitará insights científicos fundamentais sobre a troca de uma única molécula e a formação de ligações entre átomos e moléculas. Além disso, ele introduz a possibilidade de obter imagens da distribuição de carga dentro de estruturas moleculares funcionais, que são uma grande promessa para aplicações futuras, como fotoconversão solar, armazenamento de energia, ou dispositivos de computação em escala molecular.
Conforme relatado no jornal Nature Nanotechnology , cientistas Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll e Gerhard Meyer, da IBM Research - Zurich, fotografaram diretamente a distribuição de carga dentro de uma única molécula de naftalocianina usando um tipo especial de microscopia de força atômica chamada microscopia de força de sonda Kelvin em baixas temperaturas e em ultra-alto vácuo.
Considerando que a microscopia de tunelamento de varredura (STM) pode ser usada para imagens orbitais de elétrons de uma molécula, e a microscopia de força atômica (AFM) pode ser usada para resolver sua estrutura molecular, até agora não foi possível imaginar a distribuição de carga dentro de uma única molécula.
“Este trabalho demonstra uma nova capacidade importante de ser capaz de medir diretamente como a carga se organiza dentro de uma molécula individual”, afirma Michael Crommie, Professor de Física da Matéria Condensada na Universidade de Berkeley. “Entender esse tipo de distribuição de carga é fundamental para entender como as moléculas funcionam em diferentes ambientes. Espero que esta técnica tenha um impacto futuro especialmente importante nas muitas áreas onde a física, química, e a biologia se cruzam. ”
Na verdade, a nova técnica junto com STM e AFM fornece informações complementares sobre a molécula, mostrando diferentes propriedades de interesse. Isso é uma reminiscência de técnicas de imagens médicas, como raios-X, Ressonância magnética, ou ultrassonografia, que produzem informações complementares sobre a anatomia e a condição de saúde de uma pessoa.
“A técnica fornece outro canal de informação que aumentará nossa compreensão da física em nanoescala. Agora será possível investigar no nível de uma única molécula como a carga é redistribuída quando ligações químicas individuais são formadas entre átomos e moléculas em superfícies. Isso é essencial, pois buscamos construir dispositivos em escala atômica e molecular, ”Explica Fabian Mohn, do grupo Physics of Nanoscale Systems da IBM Research - Zurique.
Esquema do princípio de medição. Em cada posição de ponta, a mudança de frequência é registrada como uma função da tensão de polarização da amostra (inserção, círculos vermelhos). O máximo da parábola ajustada (inserção, linha preta sólida) produz o sinal KPFM V * para essa posição. Imagem cortesia de IBM Research - Zurique
A técnica poderia, por exemplo, ser usada para estudar a separação de carga e o transporte de carga nos chamados complexos de transferência de carga. Estes consistem em duas ou mais moléculas e são objeto de intensa atividade de pesquisa porque são muito promissores para aplicações como armazenamento de energia ou energia fotovoltaica.
Gerhard Meyer, um cientista sênior da IBM que lidera as atividades de pesquisa STM e AFM na IBM Research - Zurique acrescenta:"O presente trabalho marca um passo importante em nosso esforço de longo prazo em controlar e explorar sistemas moleculares em escala atômica com microscopia de varredura por sonda." excelente trabalho no campo, Meyer recebeu recentemente uma Subvenção Avançada do European Research Council. Estas prestigiosas bolsas apoiam “os melhores investigadores que trabalham nas fronteiras do conhecimento” na Europa. *
Olhando mais de perto
Para medir a distribuição de carga, Os cientistas da IBM usaram uma descendência do AFM chamada microscopia de força de sonda Kelvin (KPFM).
Imagens de microscopia de força de sonda Kelvin da troca de tautomerização da naftalocianina. É a primeira vez que a distribuição de carga em uma única molécula pode ser resolvida. Quando uma ponta de sonda de varredura é colocada acima de uma amostra condutora, um campo elétrico é gerado devido aos diferentes potenciais elétricos da ponta e da amostra. Com o KPFM, essa diferença de potencial pode ser medida aplicando-se uma tensão de forma que o campo elétrico seja compensado. Portanto, KPFM não mede a carga elétrica na molécula diretamente, mas sim o campo elétrico gerado por esta carga. O campo é mais forte acima das áreas da molécula que são carregadas, levando a um sinal KPFM maior. Além disso, áreas com cargas opostas produzem um contraste diferente porque a direção do campo elétrico é invertida. Isso leva às áreas claras e escuras na micrografia. Imagem cortesia de IBM Research - Zurique
Quando uma ponta de sonda de varredura é colocada acima de uma amostra condutora, um campo elétrico é gerado devido aos diferentes potenciais elétricos da ponta e da amostra. Com o KPFM, essa diferença de potencial pode ser medida aplicando-se uma tensão de forma que o campo elétrico seja compensado. Portanto, KPFM não mede a carga elétrica na molécula diretamente, mas sim o campo elétrico gerado por esta carga. O campo é mais forte acima das áreas da molécula que são carregadas, levando a um sinal KPFM maior. Além disso, áreas com cargas opostas produzem um contraste diferente porque a direção do campo elétrico é invertida. Isso leva às áreas claras e escuras na micrografia (ou áreas vermelhas e azuis nas coloridas).
Assimetria nas imagens da microscopia de força da sonda Kelvin da troca de tautomerização da naftalocianina. É a primeira vez que a distribuição de carga em uma única molécula pode ser resolvida. Quando uma ponta de sonda de varredura é colocada acima de uma amostra condutora, um campo elétrico é gerado devido aos diferentes potenciais elétricos da ponta e da amostra. Com o KPFM, essa diferença de potencial pode ser medida aplicando-se uma tensão de forma que o campo elétrico seja compensado. Portanto, KPFM não mede a carga elétrica na molécula diretamente, mas sim o campo elétrico gerado por esta carga. O campo é mais forte acima das áreas da molécula que são carregadas, levando a um sinal KPFM maior. Além disso, áreas com cargas opostas produzem um contraste diferente porque a direção do campo elétrico é invertida. Isso leva às áreas vermelhas e azuis na micrografia. Imagem cortesia de IBM Research - Zurique
Naftalocianina, uma molécula orgânica simétrica em forma de cruz que também foi usada na chave lógica de molécula única da IBM **, foi considerado um candidato ideal para este estudo. Ele apresenta dois átomos de hidrogênio opostos um ao outro no centro de uma molécula que mede apenas dois nanômetros de tamanho. Os átomos de hidrogênio podem ser comutados controladamente entre duas configurações diferentes, aplicando um pulso de voltagem. Esta chamada tautomerização afeta a distribuição de carga na molécula, que se redistribui entre pernas opostas das moléculas à medida que os átomos de hidrogênio mudam de localização.
Usando KPFM, os cientistas conseguiram imaginar as diferentes distribuições de carga para os dois estados. Para alcançar a resolução submolecular, um alto grau de estabilidade térmica e mecânica e precisão atômica do instrumento foi necessário ao longo do experimento, que durou vários dias. Além disso, adicionar apenas uma única molécula de monóxido de carbono ao ápice da ponta aumentou muito a resolução. Em 2009, a equipe já mostrou que essa modificação da ponta permitiu resolver a “anatomia” - as estruturas químicas - das moléculas com AFM. Os presentes resultados experimentais foram corroborados por cálculos da teoria funcional da densidade de primeiro princípio feitos por Fabian Mohn junto com Nikolaj Moll do grupo de Ciências Computacionais da IBM Research - Zurique.
Empurrando as fronteiras da nanociência com técnicas de sondagem de varredura
“Com o surgimento da microscopia de varredura por sonda e técnicas relacionadas na década de 1980, a porta para o nanomundo foi totalmente aberta, ”Afirmou o artigo introdutório na primeira edição da Nature Nanotechnology em 2006 ***.
O STM e seus descendentes, o AFM, são os dois burros de carga da pesquisa em escala atômica e molecular. O STM, que foi inventado por Gerd Binnig e Heinrich Rohrer na IBM Research - Zurique em 1981, permitiu que os cientistas, pela primeira vez, visualizassem átomos individuais em uma superfície. O microscópio revolucionário, pelo qual os dois cientistas receberam o Prêmio Nobel de Física de 1986, expandiu os limites do nosso conhecimento, revelando as propriedades das superfícies e moléculas ou átomos adsorvidos nas mesmas com resolução atômica.
O STM, Contudo, não é um microscópio tradicional. Em vez de mostrar uma imagem direta, ele usa uma ponta muito afiada - tendo apenas um ou alguns átomos em seu ápice - para escanear a superfície de um material. Trazendo a ponta muito perto da superfície da amostra e aplicando uma tensão de polarização, um fluxo de corrente pode ser medido entre a ponta e a amostra devido ao efeito mecânico quântico do tunelamento de elétrons. Manter esta corrente de tunelamento constante e registrar o movimento vertical da ponta ao longo da superfície torna possível estudar a estrutura da superfície, átomo por átomo. Veja o vídeo de demonstração
O STM pode até ser usado para manipular átomos e moléculas individuais. Em 1989, O cientista da IBM, Don Eigler, em um famoso experimento, usou seu recém-desenvolvido STM de baixa temperatura para posicionar 35 átomos de xenônio para soletrar "IBM". Veja o vídeo de demonstração
Em 1985, o AFM foi inventado por Gerd Binnig. Em vez de medir uma corrente de túnel, o AFM usa uma ponta afiada presa a um cantilever para medir as pequenas forças entre a ponta e a amostra para criar uma imagem. Veja o vídeo de demonstração
Conforme o STM e o AFM evoluíram, suas capacidades e aquelas de técnicas de sondagem de varredura relacionadas aumentaram muito as habilidades dos cientistas para explorar uma ampla variedade de estruturas e propriedades em escala atômica. Eles oferecem um potencial incrível para a prototipagem de estruturas funcionais complexas e para adaptar e estudar suas propriedades eletrônicas e químicas em escala atômica, que será essencial para criar novos dispositivos e sistemas em nanoescala que irão superar aqueles que existem hoje em tecnologia da informação, Medicina, tecnologias ambientais, a indústria de energia e além.
