Χημικοί δεσμοί διακρίνονται για πρώτη φορά σε εικόνες μικροσκοπίου

Look closely: the bonds at centre are shorter than those at the edges, as they involve more electrons

Όπως συμβαίνει στην ανθρώπινη ζωή, έτσι και στη χημεία οι δεσμοί των ατόμων που συγκροτούν ένα μόριο είναι άλλοτε πιο στενοί και άλλοτε πιο χαλαροί, καθορίζοντας την τελική μορφή και τη συμπεριφορά του. Αυτό είναι γνωστό στη θεωρία, για πρώτη φορά όμως μπορούμε να το παρακολουθήσουμε και στην πράξη χάρη στην πρώτη λεπτομερή απεικόνισή τους που πέτυχε διεθνής ομάδα επιστημόνων.

Οι εικόνες, οι οποίες δημοσιεύθηκαν στην επιθεώρηση «Science», δείχνουν για πρώτη φορά τις φυσικές διαφορές που παρουσιάζουν οι δεσμοί των ατόμων ανάλογα με το πόσο ισχυροί είναι. Θεωρείται ότι θα προσφέρουν βαθύτερη κατανόηση των χημικών αντιδράσεων και θα βοηθήσουν σημαντικά τους τομείς της νανοεπιστήμης και της νανοτεχνολογίας.

Επίσης, προσφέροντας ένα «εργαλείο» για τη μελέτη της κατανομής των φορτίων η νέα τεχνική απεικόνισης ενδέχεται να οδηγήσει, όπως επισημαίνεται σε ένα δεύτερο σχετικό άρθρο, στη μελλοντική χρήση των μορίων ως μερών σε μικροσκοπικά ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Tiny distortions to the regular hexagonal pattern of carbon bonds is what interests the researchers

Εκλεκτικές συγγένειες

Για να σχηματίσουν ένα μόριο τα άτομα δημιουργούν δεσμούς στους οποίους «μοιράζονται» ένα ή περισσότερα από τα εξωτερικά ηλεκτρόνιά τους. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μοιράζονται – το αν δηλαδή θα είναι ένα, δυο, τρία ή έξι – καθορίζει το πόσο ισχυρός είναι ο μεταξύ τους δεσμός και κατ’ επέκταση τη γεωμετρική δομή και τη σταθερότητα του μορίου καθώς και το πόσο ενεργό θα είναι στις αντιδράσεις.

Οι εικόνες που δόθηκαν στη δημοσιότητα (όπως αυτή ενός μορίου νανογραφενίου, αριστερά) οπτικοποιούν για πρώτη φορά την ισχύ των δεσμών που συνδέουν τα άτομα, με ένδειξη το μήκος τους. Οι πυκνότεροι σε ηλεκτρόνια ισχυρότεροι δεσμοί εμφανίζονται πιο «κοντοί» και λιγότερο φωτεινοί από τους πιο χαλαρούς «μακρύτερους» δεσμούς. Η διαφορά μήκους είναι βεβαίως υπερβολικά μικρή – μόλις μερικά πικόμετρα ή τρισεκατομμυριοστά του μέτρου.

«Έχουμε ξαναδεί δεσμούς αλλά δεν μπορούσαμε να διακρίνουμε διαφορές μεταξύ τους. Τώρα μπορούμε να απεικονίσουμε αυτές τις μικροσκοπικές διαφορές ανάμεσά τους» δήλωσε ο Λέο Γκρος του Ερευνητικού Κέντρου της IBM στη Ζυρίχη, επικεφαλής της μελέτης που διεξήχθη με τη συνεργασία γαλλικών και ισπανικών ερευνητικών ιδρυμάτων. Το 2009 ο κ. Γκρος είχε επίσης επιτύχει την πρώτη απεικόνιση των χημικών δεσμών ενός μορίου, η οποία όμως ήταν πολύ πιο «θολή» σε σχέση με τη σημερινή.

Scientist Dr Leo Gross prepares the apparatus for the molecule close-up

Φουλερένια σε ενσταντανέ

Ο κ. Γκρος και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν για να επιτύχουν την απεικόνισή τους ένα ειδικά τροποποιημένο μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM). Επέλεξαν για τη μελέτη τους φουλερένια – και συγκεκριμένα φουλερένια C60 ή buckyballs, τα οποία προσφέρονται για τέτοιου είδους εγχειρήματα αφού αποτελούν μια άψογα δομημένη «μπάλα» από 60 άτομα άνθρακα.

Επίσης χρησιμοποίησαν μόρια νανογραφενίου καθώς και δυο επίπεδους πολυαρωματικούς υδρογονάνθρακες – hexabenzocoronene και DBNP – που συνέθεσαν ειδικά για τη μελέτη. Η δομική συμμετρία που επιδεικνύουν και οι τρεις αυτοί τύποι μορίων επέτρεψαν στους επιστήμονες να διακρίνουν τους δεσμούς των ατόμων από τις «παρεμβολές» που δημιουργούνται στην προσπάθεια απεικόνισής τους.

Στο βίντεο απεικονίζεται το μοντέλο ενός μορίου hexabenzocoronene σε σχέση με την εικόνα που αποκάλυψε η τεχνική των επιστημόνων με το μικροσκόπιο AFM.

COVER A hexabenzocoronene molecule (diameter: 1.4 nanometers) imaged by noncontact atomic force microscopy using a microscope tip terminated with a single carbon monoxide molecule. The carbon-carbon bonds in the imaged molecule appear with different contrast and apparent lengths. Based on these disparities, the bond orders and lengths of the individual bonds can be distinguished. See page 1326. Image: Leo Gross, IBM Research - Zurich

Πηγή: Newsroom ΔΟΛ
 http://physicswhynot.blogspot.gr/2012/09/first-images-of-chemical-bond.html
 https://www.sciencemag.org/content/337/6100/1326.short
 http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-19584301