Cuando Felix Fischer, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU., Se propuso desarrollar nanoestructuras hechas de grafeno utilizando un nuevo, enfoque controlado de las reacciones químicas, el primer resultado fue una sorpresa:imágenes espectaculares de átomos de carbono individuales y los enlaces entre ellos.

"No estábamos pensando en crear imágenes hermosas; las reacciones en sí mismas eran el objetivo, "dice Fischer, un científico de planta en la División de Ciencias de los Materiales (MSD) de Berkeley Lab y un profesor de química en la Universidad de California, Berkeley. "Pero para ver realmente lo que estaba sucediendo a nivel de un solo átomo, tuvimos que usar un microscopio de fuerza atómica de sensibilidad única en el laboratorio de Michael Crommie". Crommie es científica de MSD y profesora de física en UC Berkeley.

Lo que mostró el microscopio a los investigadores, dice Fischer, "fue increíble." Los resultados específicos de la reacción fueron en sí mismos inesperados, pero la evidencia visual lo fue aún más. "Nadie ha tomado directamente, imágenes de moléculas individuales con resolución de enlace simple, justo antes e inmediatamente después de una reacción orgánica compleja, "Dice Fischer.

Los investigadores informan sus resultados en el 7 de junio, Edición 2013 de la revista Ciencias , disponible por adelantado en Science Express .

Nanoestructuras de grafeno de abajo hacia arriba

Las nanoestructuras de grafeno pueden formar los transistores, puertas lógicas, y otros elementos de dispositivos electrónicos exquisitamente diminutos, pero para que sean prácticos, tendrán que producirse en masa con precisión atómica. Dar o fallar, técnicas de arriba hacia abajo, como exfoliar grafito o descomprimir nanotubos de carbono, no puedo hacer el trabajo.

Fischer y sus colegas se propusieron diseñar nanoestructuras de grafeno de abajo hacia arriba, convirtiendo cadenas lineales de átomos de carbono en láminas hexagonales extendidas (hidrocarburos poliaromáticos), utilizando una reacción descubierta originalmente por el profesor de UC Berkeley, Robert Bergman. El primer requisito fue realizar las reacciones en condiciones controladas.

"En solución, más de una docena de compuestos podrían ser el producto de la reacción que estábamos usando, y caracterizar los resultados sería difícil, "Dice Fischer." En lugar de una solución 3D, creamos un sistema 2D. Ponemos nuestra molécula de partida ", una estructura llamada oligo-enediyne, compuesto por tres anillos de benceno unidos por átomos de carbono - "sobre una superficie plateada, y luego indujo reacciones calentándola ".

El grupo de Fischer colaboró ​​con el experto en microscopía Crommie para diseñar la mejor vista posible. El primer intento de rastrear las reacciones utilizó un microscopio de efecto túnel (STM), que detecta estados electrónicos cuando se encuentra a unas mil millonésimas de metro (nanómetros) de la superficie de la muestra. Pero la resolución de la imagen de la pequeña molécula y sus productos, cada uno de solo un nanómetro de ancho, no fue lo suficientemente buena como para identificar de manera confiable las estructuras moleculares.

Luego, los colaboradores recurrieron a una técnica llamada microscopía de fuerza atómica sin contacto (nc-AFM), que palpa la superficie con una punta afilada. La punta es desviada mecánicamente por fuerzas electrónicas muy cerca de la muestra, moviéndose como una aguja de fonógrafo en una ranura.

"Una molécula de monóxido de carbono adsorbida en la punta de la 'aguja' de AFM deja un solo átomo de oxígeno como sonda, "Explica Fischer." Mover este 'dedo atómico' hacia adelante y hacia atrás sobre la superficie plateada es como leer Braille, como si estuviéramos sintiendo las pequeñas protuberancias a escala atómica producidas por los átomos ". Fischer señala que las imágenes de AFM de alta resolución fueron realizadas por primera vez por el grupo de Gerhard Meyer en IBM Zurich, "pero aquí lo estamos usando para comprender los resultados de una reacción química fundamental".

El dedo móvil de un solo átomo del nc-AFM podía sentir no solo los átomos individuales, sino también las fuerzas que representan los enlaces formados por los electrones compartidos entre ellos. Las imágenes resultantes tenían un parecido sorprendente con los diagramas de un libro de texto o en la pizarra, solía enseñar química, excepto que aquí no se requiere imaginación.

Dice Fischer, "Lo que ves es lo que tienes:los efectos de las fuerzas de los electrones entre los átomos, e incluso la orden de fianza. Puedes distinguir solo, doble, y triples enlaces ".

Un enlace químico no es un concepto tan simple como parece, sin embargo. De las docenas de posibilidades, La reacción de la molécula inicial no produjo lo que intuitivamente les había parecido a Fischer y sus colegas los productos más probables. En lugar de, la reacción produjo dos moléculas diferentes. La superficie plateada plana había hecho visible la reacción, pero también la había moldeado de formas inesperadas.

La microscopía nc-AFM proporcionó una sorprendente confirmación visual de los mecanismos que subyacen a estas reacciones químicas orgánicas sintéticas, y los resultados inesperados reforzaron la promesa de este nuevo y poderoso método para construir dispositivos electrónicos avanzados a nanoescala de abajo hacia arriba.

Antes de que puedan surgir nanoestructuras grafíticas mucho más complejas a partir de este enfoque único, dice Fischer, "Grandes descubrimientos están por venir".