Состав асфальтена пришлось установить наощупь

Международная группа химиков под руководством Бруно Щулера из исследовательского центра компании IBM в Цюрихе смогла установить состав более 100 компонент асфальтена. Для этого авторы работы использовали методы сканирующей зондовой микроскопии атомного разрешения. Исследование опубликовано в Journal of American Chemical Society, краткое его изложение приводит портал Chemistry World.

Асфальтенами называется смесь наиболее высокомолекулярных компонентов нефти или каменного угля, размягчающихся («плавящихся») лишь при температурах 200-300^оC. Ранее было известно, что основную их часть представляют собой полиароматические соединения. Однако, как именно они устроены, было непонятно. 

В новой работе химики сравнили между собой образцы асфальтенов, выделенных из каменного угля и из нефти. На специальные медные пластинки, покрытые островками поваренной соли высотой в два атома, осаждали пары исходной смеси. Этот процесс происходил при низких температурах, порядка 10 кельвинов. Затем полученный препарат, на котором исследуемые молекулы распределились по островкам, помещали в микроскоп. Исследование образца проходило с помощью очень острой иглы, на кончик которой помещена единичная молекула угарного газа (CO). Игла пробегала по островку, формируя топографическую карту поверхности молекулы.

Кроме топографической карты авторы изучали и электронное строение молекул — для этого применялась сканирующая туннельная микроскопия. В ней между иглой и молекулой создают электрическое напряжение и измеряют ток, возникающий из-за туннелирования электронов. Благодаря этому удается определить форму молекулярных орбиталей, своеобразного отпечатка пальца, уникального для конкретной молекулы.

Вместе эти данные позволили идентифицировать более ста соединений. Эта информация дала ответ на важный вопрос, касающийся химии асфальтенов: ранее считалось, что они могут представлять собой либо «острова» из склеенных между собой циклических фрагментов, либо «архипелаги», в которых «острова» связаны между собой углеводородными цепочками. От этого зависят некоторые физические свойства смеси. Теперь стало понятно, что большинство соединений относятся к «островному» типу, с небольшим включением «архипелагов».

Исследование состава смеси — сложная проблема, поскольку многие вещества в ней имеют близкую природу. Это сильно затрудняет попытки выделить индивидуальные соединения. В тех же ситуациях, когда применяемый метод позволяет анализировать смесь веществ, например, ядерный магнитный резонанс или масс-спектрометрия, по той же причине не удается получить данные о конкретных структурах соединений.