Para sus experimentos, los científicos de IBM utilizaron su microscopio de túnel de barrido combinado (STM) y su microscopio de fuerza atómica (AFM) construidos en casa. En esta micrografía de haz de iones enfocada, se puede ver la punta unida a un diapasón. El diapasón mide unos pocos milímetros de longitud. La pequeña punta mide solo un átomo o molécula en su vértice.
(PhysOrg.com) - Los científicos de IBM pudieron medir por primera vez cómo se distribuye la carga dentro de una sola molécula. Este logro permitirá conocimientos científicos fundamentales sobre el cambio de una sola molécula y la formación de enlaces entre átomos y moléculas. Es más, introduce la posibilidad de obtener imágenes de la distribución de carga dentro de las estructuras moleculares funcionales, que son muy prometedoras para aplicaciones futuras como la fotoconversión solar, almacen de energia, o dispositivos informáticos a escala molecular.
Como se informó en la revista Nanotecnología de la naturaleza , los científicos Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll y Gerhard Meyer de IBM Research - Zurich obtuvieron imágenes directamente de la distribución de carga dentro de una sola molécula de naftalocianina utilizando un tipo especial de microscopía de fuerza atómica llamada microscopía de fuerza de sonda Kelvin a bajas temperaturas y en vacío ultra alto.
Mientras que la microscopía de túnel de barrido (STM) se puede utilizar para obtener imágenes de los orbitales de electrones de una molécula, y la microscopía de fuerza atómica (AFM) se puede utilizar para resolver su estructura molecular, hasta ahora no ha sido posible obtener imágenes de la distribución de carga dentro de una sola molécula.
“Este trabajo demuestra una nueva e importante capacidad de poder medir directamente cómo se organiza la carga dentro de una molécula individual”, afirma Michael Crommie, Profesor de Física de la Materia Condensada en la Universidad de Berkeley. “Comprender este tipo de distribución de carga es fundamental para comprender cómo funcionan las moléculas en diferentes entornos. Espero que esta técnica tenga un impacto futuro especialmente importante en las muchas áreas donde la física, química, y la biología se cruzan ".
De hecho, la nueva técnica junto con STM y AFM proporciona información complementaria sobre la molécula, mostrando diferentes propiedades de interés. Esto recuerda a las técnicas de imágenes médicas como los rayos X, Resonancia magnética o ecografía, que brindan información complementaria sobre la anatomía y el estado de salud de una persona.
“La técnica proporciona otro canal de información que ampliará nuestra comprensión de la física a nanoescala. Ahora será posible investigar a nivel de una sola molécula cómo se redistribuye la carga cuando se forman enlaces químicos individuales entre átomos y moléculas en las superficies. Esto es esencial ya que buscamos construir dispositivos a escala atómica y molecular, ”Explica Fabian Mohn del grupo de Física de Sistemas a Nanoescala de IBM Research - Zurich.
Esquema del principio de medición. En cada posición de la punta, el cambio de frecuencia se registra en función del voltaje de polarización de la muestra (recuadro, círculos rojos). El máximo de la parábola ajustada (recuadro, línea negra continua) produce la señal KPFM V * para esa posición. Imagen cortesía de IBM Research - Zurich
La técnica podría utilizarse, por ejemplo, para estudiar la separación de cargas y el transporte de cargas en los denominados complejos de transferencia de cargas. Estos constan de dos o más moléculas y son objeto de una intensa actividad de investigación porque son muy prometedores para aplicaciones como el almacenamiento de energía o la energía fotovoltaica.
Gerhard Meyer, un científico senior de IBM que dirige las actividades de investigación de STM y AFM en IBM Research - Zurich agrega:"El presente trabajo marca un paso importante en nuestro esfuerzo a largo plazo para controlar y explorar sistemas moleculares a escala atómica con microscopía de sonda de barrido". trabajo destacado en el campo, Meyer recibió recientemente una subvención avanzada del Consejo Europeo de Investigación. Estas prestigiosas subvenciones apoyan a "los mejores investigadores que trabajan en las fronteras del conocimiento" en Europa. *
Echando un vistazo más de cerca
Para medir la distribución de carga, Los científicos de IBM utilizaron una descendencia de AFM llamada microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM).
Imágenes de microscopía de fuerza de sonda Kelvin del cambio de tautomerización de naftalocianina. Es la primera vez que se puede resolver la distribución de carga dentro de una sola molécula. Cuando se coloca una punta de sonda de escaneo sobre una muestra conductora, Se genera un campo eléctrico debido a los diferentes potenciales eléctricos de la punta y la muestra. Con KPFM, esta diferencia de potencial se puede medir aplicando un voltaje tal que se compense el campo eléctrico. Por lo tanto, KPFM no mide la carga eléctrica en la molécula directamente, sino más bien el campo eléctrico generado por esta carga. El campo es más fuerte por encima de las áreas de la molécula que están cargadas, conduciendo a una mayor señal KPFM. Es más, las áreas con carga opuesta producen un contraste diferente porque la dirección del campo eléctrico se invierte. Esto conduce a las áreas claras y oscuras en la micrografía. Imagen cortesía de IBM Research - Zurich
Cuando se coloca una punta de sonda de escaneo sobre una muestra conductora, Se genera un campo eléctrico debido a los diferentes potenciales eléctricos de la punta y la muestra. Con KPFM, esta diferencia de potencial se puede medir aplicando un voltaje tal que se compense el campo eléctrico. Por lo tanto, KPFM no mide la carga eléctrica en la molécula directamente, sino más bien el campo eléctrico generado por esta carga. El campo es más fuerte por encima de las áreas de la molécula que están cargadas, conduciendo a una mayor señal KPFM. Es más, las áreas con carga opuesta producen un contraste diferente porque la dirección del campo eléctrico se invierte. Esto conduce a las áreas claras y oscuras en la micrografía (o áreas rojas y azules en las de color).
Asimetría en las imágenes de microscopía de fuerza de la sonda Kelvin del cambio de tautomerización de naftalocianina. Es la primera vez que se puede resolver la distribución de carga dentro de una sola molécula. Cuando se coloca una punta de sonda de escaneo sobre una muestra conductora, Se genera un campo eléctrico debido a los diferentes potenciales eléctricos de la punta y la muestra. Con KPFM, esta diferencia de potencial se puede medir aplicando un voltaje tal que se compense el campo eléctrico. Por lo tanto, KPFM no mide la carga eléctrica en la molécula directamente, sino más bien el campo eléctrico generado por esta carga. El campo es más fuerte por encima de las áreas de la molécula que están cargadas, conduciendo a una mayor señal KPFM. Es más, las áreas con carga opuesta producen un contraste diferente porque la dirección del campo eléctrico se invierte. Esto conduce a las áreas rojas y azules en la micrografía. Imagen cortesía de IBM Research - Zurich
Naftalocianina, una molécula orgánica simétrica en forma de cruz que también se utilizó en el conmutador lógico de molécula única de IBM **, resultó ser un candidato ideal para este estudio. Cuenta con dos átomos de hidrógeno opuestos entre sí en el centro de una molécula que mide solo dos nanómetros de tamaño. Los átomos de hidrógeno se pueden cambiar de forma controlable entre dos configuraciones diferentes aplicando un pulso de voltaje. Esta llamada tautomerización afecta la distribución de carga en la molécula, que se redistribuye entre las ramas opuestas de las moléculas a medida que los átomos de hidrógeno cambian de ubicación.
Utilizando KPFM, los científicos lograron obtener imágenes de las diferentes distribuciones de carga para los dos estados. Para lograr una resolución submolecular, Se requirió un alto grado de estabilidad térmica y mecánica y precisión atómica del instrumento durante el transcurso del experimento, que duró varios días. Es más, la adición de una sola molécula de monóxido de carbono al vértice de la punta mejoró enormemente la resolución. En 2009, el equipo ya ha demostrado que esta modificación de la punta les permitió resolver la “anatomía” —las estructuras químicas— de las moléculas con AFM. Los presentes hallazgos experimentales fueron corroborados por cálculos de teoría funcional de densidad de primer principio realizados por Fabian Mohn junto con Nikolaj Moll del grupo de Ciencias Computacionales en IBM Research - Zurich.
Ampliando las fronteras de la nanociencia con técnicas de sonda de exploración
“Con la aparición de la microscopía de sonda de barrido y técnicas relacionadas en la década de 1980, la puerta al nanomundo se abrió de par en par, ”, Afirmó el artículo introductorio de la primera edición de Nature Nanotechnology en 2006 ***.
El STM y su descendencia, el AFM, son los dos caballos de batalla de la investigación a escala atómica y molecular. El STM, que fue inventado por Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en IBM Research - Zurich en 1981, permitió a los científicos por primera vez obtener imágenes de átomos individuales en una superficie. El microscopio revolucionario, por lo que los dos científicos recibieron el Premio Nobel de Física de 1986, ha ampliado los límites de nuestro conocimiento al revelar las propiedades de superficies y moléculas o átomos adsorbidos en ellas con resolución atómica.
El STM, sin embargo, no es un microscopio tradicional. En lugar de mostrar una imagen directa, utiliza una punta muy afilada, que tiene solo uno o unos pocos átomos en su vértice, para escanear la superficie de un material. Al acercar la punta a la superficie de la muestra y aplicar un voltaje de polarización, se puede medir un flujo de corriente entre la punta y la muestra debido al efecto mecánico cuántico del túnel de electrones. Mantener constante esta corriente de túnel y registrar el movimiento vertical de la punta a lo largo de la superficie permite estudiar la estructura de la superficie, átomo por átomo. Ver demostración en video
El STM incluso se puede utilizar para manipular átomos y moléculas individuales. En 1989, El científico de IBM Don Eigler, en un famoso experimento, utilizó su STM de baja temperatura recientemente desarrollado para colocar 35 átomos de xenón para deletrear "IBM". Ver demostración en video
En 1985, el AFM fue inventado por Gerd Binnig. En lugar de medir una corriente de túnel, el AFM utiliza una punta afilada unida a un voladizo para medir las pequeñas fuerzas entre la punta y la muestra para crear una imagen. Ver demostración en video
A medida que evolucionaron STM y AFM, sus capacidades y las de las técnicas de sondas de exploración relacionadas han mejorado enormemente la capacidad de los científicos para explorar una amplia variedad de estructuras y propiedades a escala atómica. Ofrecen un potencial asombroso para la creación de prototipos de estructuras funcionales complejas y para adaptar y estudiar sus propiedades electrónicas y químicas a escala atómica. que será fundamental para crear nuevos dispositivos y sistemas a nanoescala que superen a los que existen hoy en día en tecnología de la información, medicamento, tecnologías ambientales, la industria energética y más allá.
