Observar la estructura del colapso de núcleos atómicos inestables utilizando electrones es un objetivo experimental que no se ha logrado en ningún lugar del mundo. Masanori Wakasugi, director del Grupo de Desarrollo de Instrumentación en el Centro RIKEN Nishina de Ciencia Basada en Aceleradores (RNC), está trabajando en este desafiante tema.

El modelo teórico actual del núcleo atómico se ha construido con importantes contribuciones de experimentos de dispersión de electrones, en el que los electrones chocan con núcleos atómicos estables para visualizar la estructura nuclear. En años recientes, sin embargo, una amplia gama de experimentos sobre las propiedades de núcleos atómicos inestables ha revelado una serie de fenómenos que son incompatibles con el modelo actual del núcleo atómico.

Los experimentos de dispersión de radioisótopos y electrones en los que los electrones chocan con núcleos inestables son indispensables para establecer el modelo definitivo del núcleo atómico. lo que producirá una comprensión completa de los núcleos estables e inestables. Wakasugi y sus colegas están adoptando enfoques únicos para lograr este primer experimento mundial.

Observando las reacciones químicas de moléculas individuales.

"Cuando estaba en la escuela secundaria, Aprendí la fórmula química para la electrólisis del agua, ”Dice Kim. Esa fórmula es H2O → H2 + 1 / 2O2. “Le pregunté a mi maestro por qué necesitamos multiplicar el O2 por la mitad. La maestra respondió que el oxígeno se multiplica por la mitad porque cuando se electroliza el agua, el hidrógeno y el oxígeno se producen en una proporción de dos a uno. Sin embargo, Pensé, ¿Qué pasa si se electroliza una sola molécula de agua? Esta pregunta me dio el incentivo para observar el proceso de una reacción química en la escala de una sola molécula ".

Kim pasó al Departamento de Química de la Universidad Nacional de Seúl, donde se especializó en electroquímica. "En ese momento, Realicé experimentos que usaban un circuito eléctrico, como en la electrólisis del agua, controlar una reacción química en una solución y examinar la reacción química de los productos de reacción. Este enfoque, sin embargo, no proporciona información sobre cómo las moléculas individuales están involucradas en una reacción química. Solo podemos conjeturar ".

Después de terminar su programa de maestría en la Universidad Nacional de Seúl, visitó Japón en 1996 y comenzó una investigación en la Universidad de Tokio bajo la supervisión de Akira Fujishima, ahora presidente de la Universidad de Ciencias de Tokio, quien era conocido como el "padre del fotocatalizador". La fotocatálisis es un proceso mediante el cual las moléculas se pueden descomponer en la superficie de un material fotoactivo, como el óxido de titanio, en exposición a la luz. “Originalmente planeé hacer un estudio exhaustivo de los fotocatalizadores. Sin embargo, El profesor Fujishima sugirió que hiciera una investigación más básica porque mi formación era científica. Por eso decidí estudiar los fenómenos físicos que ocurren cuando la superficie de una sustancia se expone a la luz ”.

Reaccionando una sola molécula

“Cuando estaba en el tercer año de mi programa de doctorado, Me encontré con un artículo muy intrigante que informaba de que se había utilizado con éxito un microscopio de efecto túnel para observar la "vibración molecular" de una sola molécula. Inmediatamente pensé que esto era lo que realmente quería hacer ".

Un microscopio de túnel de barrido (STM) es una técnica de imagen que permite mapear la estructura microscópica de la superficie de una sustancia a resoluciones que se acercan a la escala de los átomos individuales. Pero esta no es la única función de STM; también se puede utilizar para identificar los tipos de moléculas presentes en función de la vibración molecular.

En STM, se aplica un voltaje a una punta de sonda muy afilada que se acerca mucho a una molécula en una superficie. Los electrones de la sonda fluyen a la molécula objetivo, produciendo lo que se llama una "corriente de túnel", refiriéndose a la forma en que los electrones parecen "hacer un túnel" a través de la barrera de energía clásica necesaria para que fluya tal corriente. Esta corriente induce una vibración molecular, provocando que todos los átomos individuales de la molécula diana se desplacen de sus posiciones de equilibrio. La intensidad de la vibración molecular correspondiente a un voltaje dado depende del tipo de molécula o de los enlaces químicos dentro de la molécula. Por tanto, el tipo de molécula se puede identificar observando la vibración molecular.

“Estaba buscando un laboratorio de investigación donde pudiera usar STM en Japón cuando el profesor Fujishima me presentó el Laboratorio de Química de Superficies en RIKEN, encabezada en ese momento por el científico jefe Maki Kawai, que ahora es Director Ejecutivo de RIKEN ".

Después de unirse al Laboratorio de Química de Superficies en 1999, Kim desarrolló tecnologías STM junto con Tadahiro Komeda, un científico investigador en el laboratorio y ahora profesor en la Universidad de Tohoku. Allí, Kim observó vibraciones moleculares para identificar con éxito moléculas individuales sobre esta base. También logró inyectar electrones en un sitio específico de una molécula, convirtiéndolo así en una molécula diferente.

“Eliminamos dos átomos de hidrógeno de una molécula de trans-2-buteno que consta de cuatro átomos de carbono y ocho de hidrógeno para producir un 1, Molécula de 3-butadieno que consta de cuatro átomos de carbono y seis de hidrógeno. Usamos STM para causar una reacción química como se pretendía dentro de una sola molécula, observó las señales vibratorias antes y después de la reacción, e identificó el tipo de molécula con éxito por primera vez ".

Kim atribuye el éxito en provocar la reacción química deseada al trabajo anterior del laboratorio en catálisis. "Colocamos una molécula en la superficie del paladio, que sirvió como catalizador para la reacción química. El Laboratorio de Química de Superficie comenzó originalmente como un laboratorio de investigación de catalizadores, y le debemos mucho a la enorme acumulación de conocimientos sobre moléculas y catalizadores en la superficie de las sustancias ".

Controlar moléculas individuales

Todavía quedaba un desafío técnico por superar en la observación de vibraciones moleculares por STM. “Cuando se inyectan electrones desde la punta de una sonda STM en una molécula, algunas moléculas comienzan a moverse antes de que se observen sus vibraciones moleculares. Encontrar una forma eficaz de observar estas moléculas inestables fue un gran problema para nosotros ".

Kim y sus colegas de laboratorio examinaron qué nivel de energía de los electrones hace que la molécula se mueva. "Como resultado, descubrimos que la molécula se mueve a un nivel de energía de electrones inyectados igual al que causa la vibración molecular más fuerte ”. Con base en estos experimentos, establecieron un método de medición único llamado "espectroscopia de acción". “Este método de medición nos permitió identificar todo tipo de moléculas, moléculas estables e inestables, y examinar sus características esenciales ".

Cuando se inyectan electrones desde la punta de una sonda STM en una molécula, la molécula puede moverse en muchas direcciones. “We cannot control the direction of a molecule’s movement, but we encounter this problem only when the STM probe tip is placed right above the molecule. So we placed the STM probe tip obliquely upward and used the electrostatic force acting between the probe tip and the molecule. This approach also enabled us to control the direction of movement of the molecule successfully.”

Kim’s team has used this technique to draw letters by moving molecules. In the late 1980s, a paper was published describing an experiment in which the atoms forming a molecule were moved by STM to construct letters. In that experiment, the letters were created by drawing the atoms closer to the probe tip or by using the tip to shape the atoms. “We constructed our letters by moving the molecules themselves in the desired direction on a surface. This cannot be achieved without a complete understanding of the nature of molecules and the interaction between electrons and molecules.” In the future, this technique will be applied in the fabrication of computer circuits by arranging molecules.

Electrolyzing single water molecules

In 2009, Kim started the experiment that he first imagined when he was in junior high school—the experiment to electrolyze a single water molecule. “In electrolyzing a single water molecule, there are two possible reaction pathways, ” he says. Those pathways are H2O → 2H + O, and H2O → H + OH. In the former reaction, the two hydrogen atoms are separated from the single oxygen atom, and can be achieved by injecting electrons with high energy. The difficulty is how to produce the other reaction pathway.

Electrons injected into a molecule from an STM tip cause the molecule to start vibrating in an excited state. If the duration of the excited state (vibrational lifetime) is long enough, the molecular vibration causes the bonds between the atoms to break down, which increases the probability of a chemical reaction occurring. “When a single water molecule is placed on the surface of a metal, the water molecule cannot be broken down because of its short vibrational lifetime. This is because the water molecule binds chemically to the metal surface, and the energy of the injected electrons is easily dissipated into the metal surface.”

Placing a water molecule on the surface of an insulator instead of a metal can increase the vibrational lifetime because no chemical reactions can occur and no electronic energy is absorbed. Sin embargo, a tunneling current cannot flow from the STM probe tip in this case because the water molecule is on an insulator. “To cope with this problem, we developed a metal surface coated with an ultrathin film of magnesium oxide just two atoms thick. A water molecule on this surface produces a small tunneling current in STM.”

Teóricamente a water molecule can be electrolyzed when injected with an electron having an energy of 0.77 electronvolts or more. On the ultrathin MgO film, sin embargo, the water molecule broke down at just 0.45 electronvolts. “We attributed this to a multi-step excitation process in which the water molecule is excited by the first injected electron and then by the following injected electron while the water molecule is still in the vibrationally excited state, because the electron energy is slowly dissipated owing to the ultrathin insulating film surface and hence the vibrational lifetime is increased.”

The results of their experiments showed exactly what they were looking for. “Using this approach, we succeeded in separating a single hydrogen atom from a single water molecule, ” says Kim. These results confirmed the H2O → H + OH reaction pathway experimentally for the first time, and could lead to the development of technologies for producing hydrogen fuel with the minimum consumption of energy.

Practical applications of single-molecule experiments

In 2010, Kim started the Surface and Interface Science Laboratory at the RIKEN Advanced Science Institute. “We are working on new research into the interaction between light and substances. Many researchers have already investigated this subject. Sin embargo, there have been virtually no reports on experiments that examine the interaction between light and substances while observing individual molecules.”

Photocatalysts are a firm research target. “In Prof. Fujishima’s laboratory, I used to watch how he advanced his own research into photocatalysts around him. Esta vez, I intend to conduct research into the essence of photocatalysts in my own right based on the technology and experience I gained over the years at RIKEN.”

On a single-molecular scale, nobody knew the position on titanium oxide at which a photocatalytic reaction occurs. “It has been considered for years that the photocatalytic reaction occurs at positions where oxygen atoms are missing on the surface of titanium oxide because electrons concentrate at those positions. Our experiments with an STM probe tip clarified that photocatalytic reactions actually occur across wide electronically active areas around the positions where oxygen atoms are missing.”

The Surface and Interface Science Laboratory is also conducting research into organic solar cells. “What types of molecules are most effective and how should we arrange them to increase power generation efficiency? Many researchers from around the world have wanted to perform single-molecule experiments while observing individual molecules, but such experiments have been too difficult to handle. We have accumulated STM technology that I am confident will enable such experiments.”

Toward ‘sci-engineering’

“So far, I have focused on research into the essence of chemistry. In the future I also plan to start research that helps us link that knowledge to practical applications. This idea was triggered by a meeting with Dr Takanori Fukushima from the Energy Conversion Research Team. He specializes in organic synthesis and can synthesize any organic molecule. I always have a good time with him, talking about our dreams.”

Molecules and matter exhibit different characteristics on the nanometer or molecular scale compared with the macroscale behavior scientists are most familiar with. This is the reason for the widespread scientific interest in nanotechnology over the past ten years, and the origin of the expectations for a nanotechnology revolution.

“These expectations, sin embargo, are now on the point of fading because the findings to date have fallen short of society’s expectations. Although many theoretical papers have been published on what is actually going on in the nanometer world, only a few study have been reported because of the technical difficulty in directly observing the nature and functions of individual molecules. Many conventional application studies have been conducted without fully understanding the basic mechanisms of nanotechnology. I plan to make use of the STM to study the nature of individual molecules and open a new frontier in nanoscience that will allow us to explore the essence of the nanoworld.

“RIKEN launched systematic research into nanoscience before anywhere else in the world, ” Kim points out. “In 1993, Dr Kawai, now an Executive Director of RIKEN, started the Atomic Scale Sci-engineering Research and Promotion Group together with Chief Scientist Masakazu Aono, now a fellow at the National Institute for Materials Science, and Chief Scientist Katsunobu Aoyagi, who is now professor at Ritsumeikan University. ‘Sci-engineering’ is a term implying that research into the essence of a phenomenon should come first, and then engineering should follow from the results. I would like to follow the research concept of sci-engineering in the Surface and Interface Science Laboratory.