Közelkép egy molekuláról

A speciális mikroszkópoknak hála, rég szemügyre vehettük, hogyan néz ki egyetlen különálló atom, éppen ezért is hathat különösnek, hogy nagyobb molekulák ugyanilyen felbontáson való megjelenítése mindeddig lehetetlen volt. Az atomok elég ellenállók, hogy elviseljék a különböző eszközök kíváncsiskodását, a molekulák szerkezete azonban nem. A problémán az IBM kutatói kerekedtek felül.

Az atomokról már az 1970-es években készültek felvételek. A képalkotáshoz a célpontot - többnyire egy fémdarabot - elektronsugarakkal bombázták, ezt a technikát nevezik transzmissziós elektronmikroszkópiának (TEM). Később az eljárást finomítgatták, amivel például a kaliforniai Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium TEAM csapatának egy hidrogénatom sugaránál kisebb felbontást is sikerült elérni, azonban mivel a technika során a sugarak áthatolnak a célponton, az atomok elrendezései a molekulákban megsemmisülnek.

Vannak más technikák is, ezek jellemzően parányi tűszerű letapogató szondák, amivel az atomi méretű világot kutatják. Ilyen eszközzel mérik a különálló atomokhoz kötődő töltés sűrűséget, amit pásztázó alagútmikroszkópiának neveznek (STM). Ennél egy kicsit ismertebb az atomerő mikroszkópia (AFM), ami a szondában található és a cél atomjai közötti vonzóerőt méri. Mindkét módszer képet ad a célpont felszínéről és alkalmasak különálló molekulák megjelenítésére, viszont felbontásban nem tudták felvenni a versenyt a TEM-mel.

Leo Gross és kollégái az IBM zürichi központjában az AFM technikát vették elő és úgy módosították, hogy megkapják minden idők eddigi legrészletesebb felvételét egy pentacénről, ami öt benzén gyűrűből álló szerves molekula, és bár rendkívül törékeny, a kutatóknak sikerült megjeleníteniük a hexagonális széngyűrűk részleteit, és behatárolni a körülöttük elhelyezkedő hidrogénatomok pozícióit (lásd a mellékelt felvételen).

Az áttörés egyik kulcsa az volt, hogy sikerült meggátolni a mikroszkóp tűjének hozzátapadását a törékeny pentacén molekulához. A vonzóerő az elektrosztatikus, és a kizárólag molekuláris szinteken működő van der Waals erők miatt alakul ki, viszont létezik egy kvantum mechanikai hatás, az úgynevezett Pauli-féle kizárási elv, ami visszanyomja, azaz ellensúlyozza a fenti erőket. A Pauli-elv azért következik be, mert az elektronok ugyanazon kvantum állapotban képtelenek túl közel kerülni egymáshoz, és mivel a pentacén körüli elektronok és szénmonoxid molekulák azonos állapotban vannak, egy enyhe taszító erő hat rájuk. A kutatók megmérték azt a taszító erőt, amivel a szonda a molekula különböző pontjainál találkozott, megkapva a molekula "erőtérképét". Az elérhető felbontási szint a szonda méretétől függ, vagyis minél kisebb a tű, annál jobb a kapott kép.

Oscar Custance, tsukubai Japán Nemzeti Anyagtudományi Intézet munkatársa szerint a felvétel lenyűgöző. 2007-ben munkatársaival AFM-et alkalmazott egy szilícium felületen elhelyezkedő különálló atomok megkülönböztetésére, az IBM csapata azonban szerinte is túlszárnyalta eredményüket. "Ez a legnagyobb felbontás, amit valaha láttam" - mondta.

Az IBM kutatói úgy vélik, technikájukkal megnyithatják az utat a minden eddiginél nagyobb teljesítményű számítógépek felé, melyek komponensei pontosan pozicionált atomokból és molekulákból épülnek fel. Munkájuk ezen túl betekintést nyújthat a reakciókban résztvevő katalizátorok tevékenységébe is, ami lehetővé teheti a különböző reakciók atomi szintű megismerését, tette hozzá Gross.