Согласно сообщению, опубликованному в журнале Science от 28 августа, ученые из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе (IBM Zurich Research Laboratory) Лео Гросс (Leo Gross), Фабиан Мон (Fabian Mohn), Николай Молл (Nikolaj Moll) и Герхард Мейер (Gerhard Meyer) вместе с коллегой из Университета в Утрехте (Нидерланды) Питером Лильджеротом (Peter Liljeroth), применив атомно-силовой микроскоп (AFM) в сверхвысоком вакууме при очень низкой температуре (–268 °C), получили изображение химической структуры отдельных молекул органического вещества пентацен (pentacene).

Благодаря AFM-микроскопу ученым IBM первыми в мире удалось взглянуть сквозь электронное облако и увидеть атомный «каркас» отдельной молекулы. Эффект, хоть и не являясь прямой технической аналогией, напоминает рентгеновское излучение, которое, проходя сквозь мягкие органические ткани, формирует четкие изображения костей.

Метод AFM использует тончайшую металлическую иглу щупа для измерения сверхмалых сил, действующих между зондом и образцом — в данном случае между иглой щупа и молекулой — для формирования изображения. В экспериментах в качестве исследуемой молекулы применялся пентацен.

Продолговатая органическая молекула пентацена состоит из 22 атомов углерода и 14 атомов водорода. Ее длина составляет всего 1,4 нанометра, а расстояние между соседними атомами углерода в молекуле — 0,14 нанометра, что приблизительно в миллион раз меньше диаметра песчинки. На полученных экспериментальных изображениях четко видны гексагональные структуры пяти углеродных колец, причем хорошо различимы даже атомы углерода в молекуле. Более того, по изображениям можно установить местоположение в молекуле легких атомов водорода.

«Ключом к достижению разрешающей способности атомарного уровня стала тончайшая металлическая игла (тоже атомарного размера) у щупа микроскопа, а также высокая стабильность системы», — подчеркнул исследователь IBM Лео Гросс. Для того чтобы получить изображение химической структуры молекулы методом бесконтактной атомно-силовой микроскопии, необходимо работать в максимально возможной близости от исследуемой молекулы. Предельные расстояния, на которых химические взаимодействия вносят существенный вклад в межатомные силы, составляют меньше 1 нанометра. Для достижения этого масштаба ученым IBM нужно было увеличить чувствительность иглы-наконечника щупа и преодолеть главное ограничение — подобно тому, как два магнита притягиваются или отталкиваются при приближении друг к другу, молекулы будут с легкостью смещаться от иглы или, наоборот, притягиваться к игле, когда она будет приближаться к ним на слишком близкое расстояние, что делает невозможным дальнейшие измерения.

«Мы тщательно подготовили наш зонд, чтобы с максимальной осторожностью манипулировать вблизи отдельных атомов и молекул, и наши эксперименты доказали, что оптимальным является щуп с тончайшей иглой атомарного или молекулярного масштаба, который обеспечил высокую контрастность и четкость изображений, полученных с помощью нашей AFM-методики», — добавил г-н Гросс. Игла щупа с наконечником из молекулы оксида углерода (CO) способствовала достижению наилучшего эффекта благодаря возможности позиционирования щупа на расстоянии приблизительно 0,5 нанометра выше исследуемой молекулы (в вертикальной плоскости) и, действуя как мощное увеличительное стекло, позволила выделить отдельные атомы в составе молекулы пентацена, воспроизводя точную химическую структуру молекулы на атомарном уровне.

Более того, ученым удалось получить полную трехмерную векторную диаграмму сил, действующих в исследуемой молекуле. «Необходимым условием получения полной трехмерной диаграммы сил является состояние высокой механической и тепловой стабильности микроскопа, которое позволяет гарантировать, что положения иглы щупа AFM-микроскопа и молекулы остаются неизменными в течение более 20 часов исследования образца и накопления данных замеров», — сообщил Фабиан Мон, работающий в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе над кандидатской диссертацией.

Для подтверждения данных, полученных в ходе эксперимента, и лучшего понимания механизма формирования изображений, участник эксперимента Николай Молл провел теоретические расчеты основных принципов функционирования исследуемой системы. «Вычисления помогли нам понять то, что вызывало противодействие атомов. Оказалось, что источником этого были «силы отталкивания Паули», действовавшие между молекулой оксида углерода и молекулой пентацена», — объяснил г-н Молл. Эти силы отталкивания являются результатом квантово-механического эффекта, известного под названием «принципа запрета Паули», который гласит, что два идентичных электрона не могут приближаться друг к другу на слишком близкое расстояние.

Представленная работа описана в статье, которая опубликована в сегодняшнем номере журнала Science.