Учёные удалили один атом кислорода из молекулы с помощью микроскопа

Исследователи из Технологического университета Чалмерса (Швеция), IBM Research Europe в Цюрихе (Швейцария) и Центра исследований в области биологической химии и молекулярных материалов (CiQUS) Университета Сантьяго-де-Компостела (Испания) продемонстрировали контролируемое удаление одного атома кислорода из органической молекулы с помощью острого зонда сканирующего зондового микроскопа. Эта работа открывает новый путь для синтеза функциональных молекулярных структур с атомарной точностью.

Вставка, удаление или замена отдельных атомов из ядра молекулы — давняя задача в химии. Этот процесс, называемый скелетным редактированием, может значительно ускорить разработку лекарств или быть применён для апсайклинга пластиков. Исследователи расширили область скелетного редактирования до масштаба одной молекулы. Такой уровень точности беспрецедентен и может открыть новый путь к получению труднодоступных молекул.

В статье, опубликованной в Journal of the American Chemical Society, команда описывает, как им удалось селективно удалить один атом кислорода из органической молекулы.

«Мы продемонстрировали, что можно модифицировать отдельные молекулы с атомарной точностью. Процесс похож на атомный Lego, где выбранные атомы удаляются или меняются», — говорит профессор Хенрик Грёнбек из Технологического университета Чалмерса.

Как проходил эксперимент

Чтобы удалить атом кислорода, команда создала молекулу-предшественник, скелет которой содержал двадцать атомов углерода и один атом кислорода. Молекулы были нанесены в условиях сверхвысокого вакуума на медную поверхность, покрытую двухслойной плёнкой хлорида натрия, внутри комбинированного сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопа при температуре –268 °C.

Сфокусировавшись на отдельных молекулах-предшественниках и подавая импульсы напряжения через зонд микроскопа, учёные смогли контролируемо удалить атом кислорода из ядра, оставив атомы углерода нетронутыми и получив другую молекулярную структуру. Визуализация с атомарным разрешением показала, что в большинстве случаев «удалённый» атом кислорода перемещался на периферию молекулы, а в некоторых случаях удалялся полностью. Механизм и селективность реакции были объяснены с помощью квантово-механических расчётов.

Перспективы метода

«Результаты открыли мощный путь для синтеза отдельных молекул с атомарной точностью», — отмечает ассистент-профессор Шантану Мишра из Технологического университета Чалмерса.

Команда ожидает, что точность удаления конкретных атомов может быть использована для локального изменения химических и электронных свойств органических наноструктур. В будущем, комбинируя удаление атомов зондом с холодной, ограничивающей и сверхвысоковакуумной средой микроскопа, исследователи планируют синтезировать и изучать неуловимые молекулы, которые слишком нестабильны для получения в растворе.