_ Conducerea fotochimiei cu precizie submoleculară< /h3>

Absorbția luminii inițiază multe procese chimice naturale și artificiale, de exemplu, fotosinteza în plante, vederea umană sau chiar imprimarea 3D. Până acum, părea imposibil să controlăm o reacție chimică condusă de lumină la scară atomică, unde este abordată doar o anumită parte a unei molecule.

Echipa noastră internațională de oameni de știință a găsit o soluție la această problemă prin folosind concentrația luminii într-un volum la scară atomică la vârful unui vârf metalic. Am fost capabili să inducem schimbarea a doi atomi de hidrogen într-o moleculă, un proces numit tautomerizare, și să controlăm viteza reacției și rezultatul acesteia prin luminarea diferitelor părți ale moleculei.

Cercetarea noastră. este publicat în revista Nature Nanotechnology. În viitor, această strategie ar putea fi folosită pentru a sintetiza noi compuși chimici cu proprietăți controlate cu precizie atomică.

Viziunea începe cu molecule retiniene care absorb lumina care lovește ochiul. Energia recoltată din fotoni este stocată pentru o perioadă foarte scurtă de timp în moleculă și poate fi folosită pentru a iniția o reacție chimică, în acest caz, izomerizarea - o schimbare a configurației atomilor și a legăturilor.

The compușii din jur detectează această modificare a formei retinei, ceea ce duce la o cascadă de evenimente detectate în cele din urmă de creierul nostru. Alte reacții chimice induse de lumină sunt importante în mecanisme precum fotosinteza în plante sau fotopolimerizarea utilizate atât în ​​industria semiconductorilor pentru gravare, cât și pentru imprimarea 3D.

Chiar dacă fotoreacțiile joacă un rol determinant atât în ​​natură, cât și în industrie, studiul iar controlul acestor transformări chimice la unitatea cea mai de bază, adică o singură moleculă care interacționează cu lumina, este extrem de dificil.

În cazul obișnuit, lumina va interacționa cu multe molecule în același timp, deoarece lungimile de undă ale fotonii vizibili (400–800 nm) sunt cu două ordine de mărime mai mari decât dimensiunea unei molecule optic active obișnuite (1–4 nm). Microscopia optică tipică nu este suficientă pentru a obține o asemenea precizie în sondarea interacțiunii dintre lumină și materie.

Depășirea acestei probleme și a putea juca cu o reacție fotochimică cu precizie sub-nanometrică a fost scopul echipei noastre internaționale. cu sediul în Franța, Cehia și Germania.

Rezolvăm această problemă utilizând abilitatea vârfurilor de microscopie cu scanare cu tunel (STM) foarte ascuțite, cu un singur atom la vârf, de a concentra lumina laser în jos. la scara subnanometrică. Aceste vârfuri metalice acționează similar cu antenele obișnuite cu radiofrecvență, cu excepția faptului că funcționează în frecvențele optice ale spectrului electromagnetic.

Noi beneficiem de acest efect și îl folosim pentru a conduce o reacție fotochimică, pe care o studiem nu numai la o singură moleculă dar și pe o subparte a acelei molecule. Prin mutarea vârfului STM, putem muta cu precizie punctul de lumină sub-nanometru în diferite poziții deasupra moleculei și putem observa cum aceasta influențează viteza de reacție.

Această precizie este posibilă deoarece STM-ul nostru funcționează în ultra- vid înalt, care menține sistemul nostru liber de orice contaminare, și la temperaturi foarte scăzute (aproape -270°C), astfel încât moleculele să nu se miște la suprafață.

Am studiat o reacție numită tautomerizare, o formă specială de izomerizare în care atomii de hidrogen își schimbă pozițiile. În miezul unei molecule de ftalocianină, pe care am folosit-o în studiul nostru, doi hidrogeni se tautomerizează la unison (vezi săgețile din figura de mai sus).

Controlăm frecvența la care acești atomi comută prin mișcarea vârfului peste diferite părți ale moleculei (vezi animația) și prin schimbarea culorii luminii pe care o folosim pentru iluminare. Putem chiar detecta lumina emisă de ftalocianina noastră, ceea ce ne permite să imaginăm optic molecula cu precizie la scară atomică și să aflăm mai multe despre mecanismele de tautomerizare.

Abordarea noastră de fotochimie la scară atomică este foarte promițătoare pentru viitor . Ne putem imagina cu ușurință utilizarea acestei strategii pentru a sintetiza molecule care nu ar putea fi obținute altfel. Acest lucru ar putea fi realizat prin mutarea vârfului care acționează ca o sursă de lumină la scară atomică pentru, de exemplu, a fotopolimeriza numai subunitățile moleculare selectate una câte una.

Această poveste face parte din Science X Dialog, unde cercetătorii pot raporta constatările din articolele lor de cercetare publicate. Vizitați această pagină pentru informații despre ScienceX Dialog și despre cum să participați.

Dr. Anna Roslawska este lider de grup de cercetare la Institutul Max Planck pentru Cercetare în stare solidă din Stuttgart, Germania.

(Fluierul)

Inapoi