Туннельная микроскопия видит водородные связи. Химия.

Исследователи из США использовали сканирующую туннельную микроскопию [scanning tunnelling microscope (STM)] для отображения строения и характера химических связей в единичной молекуле.

Исследователи отмечают, что изображение демонстрирует необычное распределение водородных связей как в отдельной молекуле, так и между рядом расположенными молекулами, в последнем случае отмечается, что атомы водорода «поделены» между несколькими центрами.

Исследование, руководителем которого является Уилсон Хо (Wilson Ho) из Университета Калифорнии (Ирвин) является самым свежим достижением в отображении отдельных молекул. «Фотографии» единичных молекул ранее получали с помощью атомно-силовой микроскопии, в то время как сканирующий туннельный микроскоп, зонд которого фунционализирован водородом ранее применялся для получения информации о распределении электронов в веществах, то есть о строении химических связей.

Исследователи использовали сканирующую туннельную микроскопию для изучения строения и картины химических связей в единичной молекуле фталоцианина кобальта. (Рисунок из Science, 2014, 344, 885, DOI: 10.1126/science.1253405)

Исследователи из группы Хо закрепили на зонде сканирующего силового микроскопа отдельную молекулу моноксида углерода и использовали ее для изучения молекулы фталоцианина кобальта, адсорбированной на поверхности золота или серебра. При движении модифицированного зонда колебания молекулы СО зависят от расположения атомов в анализируемой молекуле и связей, реализующихся между этими атомами – изменения частоты колебаний СО измеряются в соответствии с методом, который называется «неэластичная туннельная электронная спектроскопия» (inelastic electron tunnelling spectroscopy). Таким способом исследователям удалось построить карту распределения электронной плотности в молекуле-образце и, соответственно – сгенерировать изображение самой молекулы. Как отмечает Хо, исследователям удалось непосредственно визуализировать три типа связей – связи между атомами углерода, донорно-акцепторные связи кобальт-азот и водородные связи.

Интересен тот факт, что водородные связи, как внутри-, так и межмолекулярные, оказались «поделенными» между несколькими центрами – такое явление называется бифуркацией. Хо подчеркивает, что две внутримолекулярные связи связывают три центра, а межмолекулярная связь, возникающая между двумя молекулами такова, что четыре атома водорода связаны с пятью центрами.