Quase tão claramente quanto um diagrama de livro, esta imagem feita por um microscópio de força atômica sem contato revela as posições de átomos e ligações individuais, em uma molécula com 26 átomos de carbono e 14 átomos de hidrogênio estruturados como três anéis de benzeno conectados. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e Universidade da Califórnia em Berkeley
Quando Felix Fischer do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) decidiu desenvolver nanoestruturas feitas de grafeno usando um novo, abordagem controlada para reações químicas, o primeiro resultado foi uma surpresa:imagens espetaculares de átomos de carbono individuais e as ligações entre eles.
"Não estávamos pensando em fazer belas imagens; as próprias reações eram o objetivo, "diz Fischer, um cientista da equipe da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab (MSD) e um professor de química da Universidade da Califórnia, Berkeley. "Mas para realmente ver o que estava acontecendo no nível de um único átomo, tivemos que usar um microscópio de força atômica com sensibilidade única no laboratório de Michael Crommie." Crommie é um cientista MSD e professor de física na UC Berkeley.
O que o microscópio mostrou aos pesquisadores, diz Fischer, "foi maravilhoso." Os resultados específicos da reação foram inesperados, mas a evidência visual era ainda mais. "Ninguém nunca assumiu diretamente, imagens resolvidas por ligação única de moléculas individuais, logo antes e imediatamente após uma reação orgânica complexa, "Fischer diz.
Os pesquisadores relatam seus resultados no dia 7 de junho, Edição de 2013 da revista Ciência , disponível com antecedência em Science Express .
Nanoestruturas de grafeno de baixo para cima
Nanoestruturas de grafeno podem formar os transistores, portas lógicas, e outros elementos de dispositivos eletrônicos primorosamente minúsculos, mas, para se tornarem práticos, terão de ser produzidos em massa com precisão atômica. Acertar ou errar, técnicas de cima para baixo, como esfoliante de grafite ou descompactação de nanotubos de carbono, não pode fazer o trabalho.
Fischer e seus colegas começaram a projetar nanoestruturas de grafeno de baixo para cima, convertendo cadeias lineares de átomos de carbono em folhas hexagonais estendidas (hidrocarbonetos poliaromáticos), usando uma reação descoberta originalmente por Robert Bergman, professor da UC Berkeley. O primeiro requisito era realizar as reações em condições controladas.
A molécula reagente original, descansando em uma superfície plana de prata, é criada a imagem antes e depois da reação, que ocorre quando a temperatura ultrapassa 90 graus Celsius. Os dois produtos finais mais comuns da reação são mostrados. As barras de escala de três angstrom (um angstrom é um décimo bilionésimo de um metro) indicam que o reagente e as moléculas do produto têm cerca de um bilionésimo de um metro de diâmetro. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e Universidade da Califórnia em Berkeley
"Em solução, mais de uma dúzia de compostos poderiam ser os produtos da reação que estávamos usando, e caracterizar os resultados seria difícil, "Fischer diz." Em vez de uma solução 3D, criamos um sistema 2D. Colocamos nossa molécula inicial "- uma estrutura chamada oligo-enedine, composto de três anéis de benzeno ligados por átomos de carbono - "em uma superfície de prata, e depois induziu reações aquecendo-o. "
O grupo de Fischer colaborou com o especialista em microscopia Crommie para criar a melhor visão possível. A primeira tentativa de rastrear as reações usou um microscópio de tunelamento de varredura (STM), que detecta estados eletrônicos quando trazidos a alguns bilionésimos de metro (nanômetros) da superfície da amostra. Mas a resolução da imagem da pequena molécula e seus produtos - cada um com apenas um nanômetro de diâmetro - não era boa o suficiente para identificar com segurança as estruturas moleculares.
Os colaboradores então se voltaram para uma técnica chamada microscopia de força atômica sem contato (nc-AFM), que examina a superfície com uma ponta afiada. A ponta é defletida mecanicamente por forças eletrônicas muito perto da amostra, movendo-se como uma agulha de fonógrafo em uma ranhura.
"Uma molécula de monóxido de carbono adsorvida na ponta da 'agulha' AFM deixa um único átomo de oxigênio como a sonda, "Fischer explica." Mover este 'dedo atômico' para frente e para trás sobre a superfície prateada é como ler Braille, como se estivéssemos sentindo as pequenas saliências em escala atômica feitas pelos átomos. "Fischer observa que a imagem AFM de alta resolução foi realizada pela primeira vez pelo grupo de Gerhard Meyer na IBM Zurique, "mas aqui estamos usando para entender os resultados de uma reação química fundamental."
A ponta de um átomo do microscópio de força atômica sem contato "sente" mudanças na intensidade das forças eletrônicas à medida que se move pela superfície a uma altura constante. Os movimentos resultantes da caneta são detectados por um feixe de laser para computar as imagens. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e Universidade da Califórnia em Berkeley
O dedo móvel de um átomo do nc-AFM podia sentir não apenas os átomos individuais, mas também as forças que representavam as ligações formadas pelos elétrons compartilhados entre eles. As imagens resultantes têm uma semelhança surpreendente com diagramas de um livro ou no quadro negro, usado para ensinar química, exceto aqui nenhuma imaginação é necessária.
Diz Fischer, "O que você vê é o que você tem - os efeitos das forças do elétron entre os átomos, e até mesmo a ordem do título. Você pode distinguir solteiros, Duplo, e ligações triplas. "
Uma ligação química não é um conceito tão simples quanto pode parecer, Contudo. Das dezenas de possibilidades, a reação da molécula inicial não produziu o que intuitivamente parecia a Fischer e seus colegas os produtos mais prováveis. Em vez de, a reação produziu duas moléculas diferentes. A superfície plana de prata tornou a reação visível, mas também a moldou de maneiras inesperadas.
A microscopia nc-AFM forneceu uma confirmação visual impressionante dos mecanismos que estão por trás dessas reações químicas orgânicas sintéticas, e os resultados inesperados reforçaram a promessa deste novo método poderoso para construir dispositivos eletrônicos avançados em nanoescala de baixo para cima.
Antes que nanoestruturas grafíticas muito mais complexas possam resultar desta abordagem única, diz Fischer, "Grandes descobertas estão por vir."
