Molekulou zkoumanou v tomto experimentu byl pentacen. Pentacen je obdélníková organická molekula tvořená 22 atomy uhlíku a 14 atomy vodíku, na délku měří 1,4 nanometru.

Vědcům společnosti IBM se podařilo zobrazit „anatomii“, neboli chemickou strukturu, molekuly s bezprecedentním rozlišením pomocí komplexní techniky zvané nekontaktní mikroskopie atomárních sil (AFM).

Výsledky posouvají výzkum využití molekul a atomů v nejmenším měřítku a mohly by výrazně ovlivnit oblast nanotechnologií, u které jde o pochopení a ovládání těch nejmenších objektů známých lidstvu.

„I když to není přesné přirovnání, představte si, jak lékaři pomocí rentgenu zobrazují kosti a orgány v lidském těle, my pomocí mikroskopu atomárních sil zobrazujeme atomové struktury, které jsou páteří jednotlivých molekul,“ řekl výzkumník IBM Gerhard Meyer. „Techniky skenovací sondy skýtají ohromný potenciál pro prototypování komplexních funkčních struktur a pro přizpůsobení a studium elektronických a chemických vlastností v atomovém měřítku.“

Tyto průlomové výsledky otevřou nové možnosti pro zkoumání přenosu náboje mezi molekulami a molekulárními sítěmi. Porozumět rozložení náboje v měřítku atomů je nezbytné pro výrobu menších, rychlejších a energeticky účinnějších počítačových součástek než jsou dnešní procesory a paměťová zařízení. Tyto součástky by jednoho dne mohly přispět k realizaci vize IBM o chytřejší planetě, neboť pomohou fyzický svět vybavit čidly a propojit jej.

Vědcům IBM se s jejich AFM vůbec poprvé podařilo podívat skrz elektronový oblak a vidět atomovou páteř jednotlivé molekuly. I když to není přímé technologické přirovnání, připomíná to rentgenové paprsky, které procházejí měkkými tkáněmi a jasně zobrazují kosti.



Hrot, který rozhodl o měřítku

AFM využívá ostrý kovový hrot k měření nepatrné síly mezi hrotem a vzorkem, například molekulou, čímž vytváří obraz. Molekulou zkoumanou v tomto experimentu byl pentacen. Pentacen je obdélníková organická molekula tvořená 22 atomy uhlíku a 14 atomy vodíku, na délku měří 1,4 nanometru. Sousedící atomy uhlíku jsou od sebe vzdáleny jen 0,14 nanometru – což je zhruba miliónkrát menší vzdálenost než průměr zrnka písku. Na experimentálním snímku jsou jasně vykresleny šestiúhelníkové tvary pěti uhlíkových prstenců i atomy uhlíku v molekule. Z obrázku lze odvodit i pozice vodíkových atomů v molekule.

Pro zobrazení chemické struktury molekuly metodou AFM je nutné pracovat velice blízko u molekuly. Rozsah, kde chemické interakce výrazně přispívají k silám, je menší než nanometr. Proto vědci IBM museli zvýšit citlivost hrotu a překonat zásadní omezení: podobně jako se dva magnety v blízkosti přitahují nebo odpuzují, molekuly by snadno mohly být vytlačeny nebo naopak přichyceny k hrotu, kdyby se hrot přiblížil příliš – což by znemožnilo další měření.

Vědcům se navíc podařilo odvodit celou trojrozměrnou mapu sil ve zkoumané molekule.

Vědec IBM Nikolaj Moll provedl výpočty zkoumaného systému z prvních principů založené na teorii funkcionálu hustoty. Vysvětluje: „Výpočty nám pomohly pochopit, co způsobilo atomový kontrast. Zjistili jsme, že jeho zdrojem je Pauliho repulze mezi CO a molekulou pentacenu.“ Tato odpudivá síla je způsobena efektem z kvantové mechaniky, který se nazývá Pauliho vylučovací princip. Ten uvádí, že dva identické elektrony se k sobě nemohou přiblížit příliš blízko.

zdroj: tisková zpráva IBM