Zvětšit obrázek

Výchozí organická molekula s 26 uhlíky a 14 vodíky. Kredit: LBNL, UC Berkeley.

Asi nikdo z nás ještě nedržel v ruce molekulu a neviděl na vlastní oči, jak se taková molekula mění při chemické reakci. Přesto obvykle věříme, že molekuly existují a že podstupují chemické reakce. Ať už je to kvůli jiskřivému intelektu anebo intenzivní propagandě během školní docházky, nemíváme s molekulami problém. Co kdy by se nám ale naskytla příležitost prohlédnout si je přímo v akci?

Felix Fisher. Kredit: UC Berkeley.

Když se Felix Fisher z oddělení vědy o materiálech Lawrence Berkeley National Laboratory a také Kalifornské univerzity v Berkeley pustil do vývoje nanostruktur z grafenu, určitě netušil, že jako bonus získá luxusní snímky jednotlivých molekul, na nichž je parádně vidět jejich struktura z atomů. Na vědě jsou ale krásné právě takové šťastné náhody. Tentokrát se to Fisherovi a jeho kolegům poštěstilo, když pracovali s mikroskopem atomárních sil. To je sice výjimečně citlivý přístroj, ale i tak byli badatelé ohromeni, když zjistili, co jim mikroskop atomárních sil ukázal. A vzápětí následovaly globální ovace. Vůbec poprvé se jim totiž povedlo nafotit jednotlivé molekuly před a také po složité organické reakci.

Nanostruktury z grafenu mají podle všeho zářnou budoucnost v mikroelektronických zařízeních. Musíme ale zprovoznit technologie jejich masové produkce, což není úplně snadné. Fisher a spol. vytvářejí grafenové nanostruktury technikou zdola nahoru, tedy od jednotlivých molekul, při které přeměňují lineární řetězce uhlíků na pláty z polyaromatických uhlovodíků, pokud možno za perfektně kontrolovaných podmínek. Badatelé začali se třemi benzenovými jádry propojenými skrze atomy uhlíku. Tyto molekuly umístili na podklad ze stříbra a pak je zahřívali. Probíhající reakce se přitom snažili sledovat pomocí mikroskopů.

Zvětšit obrázek

Princip nekontaktní mikroskopie atomárních sil. Kredit: LBNL, UC Berkeley.

Zvětšit obrázek

Porovnání řádkovací tunelové mikroskopie (nahoře) a k nekontaktní mikroskopii atomárních sil (uprostřed). Kredit: LBNL, UC Berkeley.

Nejprve použili řádkovací tunelový mikroskop (STM), jeho rozlišení ale neposkytlo potřebné detaily. Badatelé se pak uchýlili k nekontaktní mikroskopii atomárních sil (nc-AFM), při níž vzniká snímek díky ostrému hrotu, který se pohybuje těsně u analyzovaného povrchu. Na špičce tohoto hrotu sedí jediná molekula oxidu uhelnatého, jehož kyslíkový atom hraje roli detekční sondy. Metoda zobrazení je vlastně podobná tunelové mikroskopii, jen k detekci neslouží elektrický proud, ale přitažlivost mezi atomy. Podle Fishera funguje tak, jako bychom si četli prstem Braillovo písmo. Jak se úžasně citlivý prst mikroskopu atomárních sil pohybuje nad pozorovaným povrchem, vnímá nejen jednotlivé atomy v molekule, ale také chemické vazby, které mezi nimi vytvářejí hbité elektrony.

Snímky Fisherova týmu jsou naprosto fascinující. Intenzivně připomínají všudypřítomné malůvky organických sloučenin, ovšem s tím, že tyhle obrázky jsou skutečné. Kromě hlubokého zážitku jim ale poskytly i pozoruhodné informace k jejich výzkumu. Chemická reakce, kterou testovali, může vytvořit zhruba tucet různých produktů. Fisher a spol. ze svých snímků rychle zjistili, že kupodivu nevznikají produkty, které původně považovali za nejpravděpodobnější. Smutní z toho ale určitě nejsou. Se svými revolučními snímky již prorazili do hyper prestižního časopisu Science a před sebou již tuší další veliké objevy.

Literatura

Lawrence Berkeley National Laboratory News 30.5. 2013, Science Express 30.5. 2013, Wikipedia (Atomic force microscopy).