Химики нашли «атомарного собрата» круглого дроида из «Звездных войн»

Химики из Вестфальского университета имени Вильгельма обнаружили необычное поведение атомов золота на атомарно гладкой поверхности, покрытой монослоем органического вещества из класса карбенов. Оказалось, что некоторые атомы могут «выдергиваться» карбенами из кристаллической решетки, после чего они ведут себя наподобие «шароботов», скользя по поверхности золота и раскачиваясь в разных направлениях вместе с прикрепленными к ним карбенами. Chemistry World сравнивает их с «шароботом» BB-8, круглым дроидом из седьмого эпизода «Звездных войн». Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.

Часто перед химиками встает задача прикрепить органическое вещество к золотой наночастице или просто золотой поверхности. Это необходимо, например, для создания некоторых сенсоров. Если антитело, связанное с золотой наночастицей, образует комплекс с белком, то это изменит оптические свойства системы, что можно легко зафиксировать. Традиционно для этого используются связки, содержащие тиольные группы — связи сера-водород. При взаимодействии тиолов с золотом образуется прочная связь сера-металл, которая и удерживает органическую молекулу.

Однако при взаимодействии с кислородом такие связи легко распадаются. Поэтому недавно был предложен новый класс веществ-линкеров — стабильные карбены. Это соединения двухвалентного углерода, содержащие неподеленную электронную пару. Большинство карбенов нестабильны и ведут себя подобно свободным радикалам — легко разрывают химические связи в других молекулах и присоединяются к ним. Но некоторые такие вещества достаточно устойчивы, в частности так называемые N-гетероциклические карбены.

В новой работе химики изучали, как ведут себя карбены на атомарно-гладкой поверхности золота. Авторы обнаружили, что при взаимодействии с золотом вещество образует самособирающиеся островки толщиной в один молекулярный слой. Исследователи использовали три разных вещества и выяснили, что два из них обладают исключительной подвижностью на поверхности золота. Это противоречило данным о том, что карбены прочно связываются с золотом. Детальный анализ данных сканирующей туннельной микроскопии показал, что атомы золота, к которым были прикреплены молекулы этих веществ, слегка приподняты над поверхностью.

Химики предположили, что в результате сильного взаимодействия карбены частично «выдергивают» атомы золота, к которым они крепятся. Образовавшаяся из-за этого вакансия тут же заполняется другим атомом. В результате на поверхности возникает «лишний» атом золота с прикрепленным к нему карбеном. По словам авторов, такой атом может легко перемещаться в плоскости, ведя себя подобно «шароботу». 

Так называется робот, перемещающийся с помощью шарообразного колеса. Вероятно, самым известным шароботом на сегодняшний день является BB-8, «герой» фильма «Звёздные войны. Эпизод VII: Пробуждение Силы» (2015 год, режиссер Дж. Дж. Абрамс). С ним и сравнило комплекс золота издание Chemistry World. BB-8 состоит из двух частей — неподвижно удерживаемой верхней части и сферического основания-колеса.

Авторы отмечают, что такое поведение, вкупе со сложностью полного отрыва атомарного «шаробота» от поверхности золота, объясняет наблюдаемую подвижность островков монослоев. Кроме того, подобный механизм может приводить к образованию сложных комплексов, в которых с одним атомом золота связано два или даже три карбеновых фрагмента. Последние комплексы ранее не были описаны.

Сканирующая туннельная микроскопия, использованная для исследования моноатомных слоев, — один из первых методов, позволивших ученым напрямую увидеть атомы. Также с ее помощью в 1990 году компания IBM добилась манипуляции одиночными атомами и выложила свой логотип из нескольких десятков атомов ксенона. Этот метод заключается в сканировании образца тонкой иглой, причем между иглой и образцом подается небольшое напряжение. Когда игла оказывается достаточно близко к поверхности, к ней начинают туннелировать электроны исследуемого объекта — этот туннельный ток и фиксируется прибором. Он позволяет определить геометрию образца с субатомной точностью. 

С помощью методов сканирующей туннельной микроскопии химикам удалось впервые продемонстрировать катализ химической реакции с помощью электростатического поля. Аналогичный метод атомной силовой микроскопии позволил ученым напрямую наблюдать за разрывом и возникновением химических связей.

Владимир Королёв