Ученые теперь могут «видеть» молекулы в разных зарядовых состояниях

Новая техника может отображать структурные изменения отдельных молекул при зарядке с беспрецедентным разрешением. Это может разрешить незначительные изменения в ароматичности, геометрии адсорбции и отношениях порядка связи.

Зарядка и разрядка молекулы является одним из наиболее важных аспектов жизни, так как преобразование энергии и транспортировка энергии зависят от этого процесса. Он также играет ключевую роль в органических фотоэлектрических устройствах и органической электронике.

Как функция, так и структура молекулы изменяются, когда она заряжается или разряжается. Представление этих структурных изменений в высоком разрешении может помочь исследователям понять таинственную связь между зарядом и функцией молекулы, а также то, как этот процесс разряда-заряда преобразует и переносит энергию.

Недавно международная команда исследователей придумала метод, который может отображать структурные изменения отдельных молекул при зарядке с беспрецедентным разрешением.

Исследователи использовали 10-летнюю методологию для определения структуры молекул с атомным разрешением. Это включает функционализацию наконечника атомно-силового микроскопа одной молекулой окиси углерода. Несколько лет назад они еще более усовершенствовали эту технику, чтобы контролировать состояние заряда молекулы.

Команда объединила эти предыдущие работы для анализа зарядовых состояний различных молекул. Они заряжали молекулу от наконечника атомно-силового микроскопа, а затем электрически изолировали молекулу на пленке хлорида натрия, чтобы предотвратить утечку заряда.

Наконец, они изобразили молекулы со сверхвысоким разрешением, используя функционализированный наконечник из окиси углерода, контролируя заряд.

В этом исследовании исследователи исследовали четыре модельных соединения с различными свойствами и приложениями, связанными с их переходами заряда-состояния. Они разрешали мелкие изменения в ароматичности, геометрии адсорбции и отношениях порядка связи.

Сначала они представили азобензол, химическое соединение, содержащее два фенильных кольца, связанных двойной связью N = N. Две плоские группы молекулы были параллельны, когда не было заряда. Когда электрон присоединен (что приводит к отрицательному заряду), эти плоские группы наклоняются относительно друг друга.

Затем они представили пентацен, полициклический ароматический углеводород, состоящий из 5 линейно конденсированных бензольных колец. Они хотели сосредоточиться на вызванных зарядом изменениях в силе индивидуальных связей.

Этим модельным соединением можно манипулировать в 4 различных состояниях заряда - положительном, нейтральном, отрицательном и вдвойне отрицательном. Исследователи смогли определить, какие связи внутри молекулы ослабевают, а какие усиливаются при изменении заряда. В этом случае они узнали, как можно сравнивать изображения, снятые в различных состояниях заряда.

Затем они применили свою методологию к органическому соединению под названием тетрацианохинодиметан. Он часто используется в качестве акцептора электронов и разрешает силу связи и неплоские искажения как функцию состояния заряда.

Исследователи обнаружили, что молекула встает, когда у нее нет заряда, и ложится на поверхность, когда у нее отрицательный и двойной отрицательный заряд. Кроме того, изображение с высоким разрешением ясно показало увеличение ароматичности центрального молекулярного кольца [от отрицательного до двойного отрицательного состояния заряда].

Наконец, они представили самую интригующую молекулу: порфина. Это исходное соединение гемоглобина и хлорофилла. Впервые исследователи представили изменения ароматичности и пути конъюгации порфина в 3 различных зарядовых состояниях.

В целом, исследование открывает возможности для изучения химических структурных изменений отдельных молекул для различных зарядовых состояний.