Физики смогли «разглядеть» поляризацию одной ковалентной связи

Физики из Германии и Чехии впервые экспериментально просканировали распределение заряда в органической молекуле с точностью, которой достаточно, чтобы разглядеть разницу в поляризации ковалентных связей. Так, ученым удалось различить связи C-H и С-F. Работа опубликована в Physics Review Letters.

Авторы использовали Кельвин-зондовую силовую микроскопию, которая позволяет сканировать распределение электрического потенциала (точнее — работы выхода электрона) на поверхности образца. В этом методе измеряется частота колебаний кантилевера, возникающих в результате электростатических взаимодействий между зондом и образцом — своеобразными обкладками конденсатора.

Ученые делали серию экспериментов на разной высоте и при различном рабочем напряжении на кантилевере. Это позволило учесть вклады от нескольких взаимодействий, проявляющихся на разных высотах. После вычитания «лишних» сигналов оставалась только картинка с распределением электрического заряда в молекуле.

На конце рабочего кантилевера была помещена единичная молекула СO. Авторы сканировали органические молекулы, адсорбированные на поверхности меди, а полученные структуры сравнивали с результатами теоретического моделирования.

Использованного разрешения оказалось достаточно, чтобы различить одиночные ковалентные связи в молекулах. Кроме того, связи C-H и C-F отличались по поляризации: в первом случае наблюдался небольшой отрицательный заряд на углероде, а во втором — существенный избыток отрицательного заряда на фторе. Авторы отмечают, что их результаты можно использовать лишь для качественных оценок поляризации, количественные же значения обладают значительной ошибкой в результате многочисленных операций по «очистке» сигнала.

Кельвин-зондовую силовую микроскопию (КЗСМ), примененную в работе, не следует путать со сканирующей туннельной микроскопией (СТМ). В ней измеряемым сигналом служит электрический ток, возникающий при туннелировании электронов с орбиталей молекулы или атома на зонд микроскопа. Такой метод позволяет, например, получить изображение молекулярных орбиталей. 

К необычным вариантам сканирующей микроскопии также можно отнести использование магнитного зонда — это позволяет получить картинку магнитных доменов, например, на жестком диске. Если к зонду пришить антитело, антигеном к которому является азотистое основание, можно таким замысловатым образом измерять длину между какими-либо фрагментами ДНК или РНК. Недавно ученые из Цюриха при помощи сканирующей зондовой микроскопии определили состав более 100 компонент асфальтена.