«Архипелаги» асфальтенов ощупали в 3D

Международная группа химиков под руководством Бруно Щулера из исследовательского центра компании IBM в Цюрихе разработала методику для исследования атомарной структуры неплоских асфальтенов. Эти вещества представляют собой наиболее высокомолекулярные компоненты нефти и каменного угля. Чтобы установить их структуру ученые предлагают использовать атомно-силовую микроскопию субмолекулярного разрешения, ранее использовавшуюся в основном для плоских молекул. Исследование опубликовано в журнале Chemical Science, кратко о нем сообщает Chemistry World. 

Асфальтены обладают очень высокой температурой размягчения — около 200-300 градусов Цельсия, а их смеси трудно разделять: вещества близки по своим химическим свойствам. Поэтому долгое время было известно лишь примерное строение асфальтенов. К примеру, известно, что они содержат большие ароматические системы («острова»), состоящие из склеенных между собой бензольных и других колец, а также углеводородные хвосты. Согласно гипотезам ученых, сами молекулы могли состоять из одиночных «островов», или же представлять собой «архипелаги», связанные углеводородными хвостами. От этого зависят возможные физические свойства фракции.

Группа Бруно Щулера в 2015 году добилась прогресса в исследовании структур асфальтенов. В своей работе ученые использовали атомно-силовой микроскоп — прибор, исследующий поверхность образца с помощью очень острой иглы (несколько атомов на острие). Чтобы повысить разрешение авторы использовали CO-модифицированный кантилевер. Это означает, что на острие иглы, которой микроскоп ощупывает образец, была помещена одиночная молекула угарного газа. Это позволяет исследовать атомарную структуру адсорбированных молекул. 

Ученые выяснили, что молекулы асфальтена в основном представляют собой отдельные «острова». Однако работа вызвала ряд вопросов, в частности, химики засомневались в том, может ли прибор отличить «архипелаги» от «островов». Кроме того, сомнения вызвала устойчивость «архипелагов» — для нанесения мономолекулярного слоя исследователи нагревали исходную смесь асфальтенов до большой температуры и отжигали ее после адсорбции молекул на поверхности. 

Чтобы выяснить надежность метода, авторы новой работы поставили модельный эксперимент, в котором заранее синтезированный «архипелаг» из двух «островов» и длинной связующей углеводородной цепи подвергался тем же манипуляциям, что и в первом эксперименте. Отличие анализа «островов» от цепей заключается в гибкости последних. За счет этого «архипелаги» одинаковых молекул могут быть непохожими «на ощупь». 

Различить атомы углерода «островов» (в плоскости) и цепей (тетраэдрическое окружение) удалось с помощью нескольких последовательных сканирований одной и той же молекулы — на разных высотах от поверхности. Кроме того, пропуская электрический ток через молекулы, ученые добились превращения гибких цепей в жесткие (окислением атомов углерода). По словам авторов, один из важных результатов работы — то, что атомно-силовую микроскопию можно использовать для анализа структуры неизвестных молекул. 

Ранее ученые исследовательского центра IBM использовали атомно-силовую микроскопию с CO-модифицированным кантилевером для размыкания циклических органических молекул и для того, чтобы увидеть как образуются арины. А еще одно подобное исследование обнаружило, что на ощупь атомы меди похожи на бублики.

Владимир Королёв