Немецкие физики с помощью атомно-силового микроскопа поставили сложную органическую молекулу перилентетракарбонового диангидрида в вертикальное положение перпендикулярно подложке. Эта плоская ароматическая молекула обычно располагается на поверхности «лежа», однако и вертикальная конфигурация тоже оказалась устойчивой. Подобную систему можно использовать, например, в качестве одноэлектронного полевого эмиттера, пишут ученые в статье, опубликованной в Nature.
С помощью современных атомно-силовых микроскопов над отдельными атомами и молекулами можно совершать операции с очень высокой точностью. Иголки, которые используются для сканирования в этих микроскопах позволяют измерять силы, действующие между атомами с точностью до сотых долей аттоньютона (10−18 ньютона), благодаря им можно исследовать структуру отдельных органических молекул, перемещать атомы и молекулы в нужную точку. Тем не менее, все эти перемещения обычно происходят только в плоскости подложки, и атомно-силовые микроскопы не давали возможности поворачивать или двигать молекулы по вертикали, ограничивая структуру тех молекулярных систем, которые можно таким образом получать.
Немецкие физики под руководством Руслана Темирова (Ruslan Temirov) из Юлихского исследовательского центра предложили способ, который позволяет решить эту проблему и преодолеть притяжение со стороны поверхности. С помощью атомно-силового микроскопа они поставили довольно сложную органическую молекулу в вертикальное положение. Для эксперимента химики взяли молекулу диангидрида перилен-3,4,9,10-тетракарбоновой кислоты — плоскую ароматическую молекулу, содержащую пять бензольных колец и две циклических ангидридных группы с противоположных сторон молекулы. Эту молекулу ученые поместили на серебряную подложку — плоскую, но с двумя дополнительными адсорбированными атомами серебра.
Изначально такая молекула располагалась на поверхности «лежа». Затем с помощью иголки атомно-силового микроскопа два отдельных атома серебра присоединялись к одной ангидридной группе, а со второй группой связывалась сама иголка. Если после этого аккуратно поднимать кантилевер с иголкой вверх, то одну сторону молекулы можно поднять, оторвав от поверхности, и «поставить» всю молекулу в вертикальное положение. Ученые обнаружили, что при дальнейшем подъеме иголки вверх связь между ней и молекулой будет разорвана, но молекула при этом останется в вертикальном положении.
Все манипуляции с молекулами при помощи иголки микроскопа контролировались с помощью измерения туннельного тока, резкие скачки которого свидетельствовали об образовании или разрыве ковалентных связей. Оказалось, что такая конфигурация очень устойчива, и даже если попытаться «уронить» молекулу иголкой кантилевера, она все равно возвращается в вертикальное положение, как неваляшка. Точные причины такого необычного поведения молекулы ученые объяснить пока не могут.
По словам авторов работы, у такой системы есть и перспектива практического использования. Например, подобную вертикально стоящую молекулу можно использовать в качестве одноэлектронного полевого эмиттера. Такое устройство при приложении внешнего электрического поля способно передавать один электрон на иголку, и делает это в когерентном режиме. Массивы таких когерентных излучателей, которые остаются в вертикальным положении даже при довольно больших плотностях тока (до 108 ампер на квадратный метр) можно использовать в будущем, например, для спектрометрии.
Физики отмечают, что, вероятнее всего, у этой молекулы и похожих на нее по структуре возможны и другие метастабильные состояния. Наличие таких состояний позволит создавать на поверхностях квазитрехмерные молекулярные структуры.
Напомним, что именно молекула перилентетракарбонового ангидрида была одной из первых органических молекул, структуру которой удалось изучить с помощью атомно-силовой микроскопии при комнатной температуре. Тогда ученые адсорбировали молекулу на кремниевую, а не металлическую подложку, и она была не совсем плоской и немного выпячивалась над поверхностью. Структуру этой же молекулы ученые исследовали, когда впервые использовали для анализа металлическую иголку с единственным атомом кислорода на кончике.
По информации https://nplus1.ru/news/2018/06/28/standing-molecule
Обозрение "Terra & Comp".
