Přestože jsme v minulosti měli možnost vidět už i obrazy jednotlivých atomů, které byly pořízeny díky nejmodernějším mikroskopům, je to značný pokrok. I když jsou atomy mnohem menší, molekuly jsou velmi citlivé na jakékoli zásahy zvenčí, což dosud jejich fotografování znemožňovalo.
Neexistovalo totiž zařízení, které by je mohlo přímo "vyfotit". Používat termín fotografie ale není úplně na místě, protože obraz nevznikl čistě optickou cestou, ale byl vytvořen měřením interakcí mezi špičkou sondy mikroskopu atomárních sil a pozorovanou molekulou. Naměřená data pak zpracoval software mikroskopu, který také vytvořil výsledný obraz molekuly.
Obrazy atomárních struktur
"Není to sice přesné přirovnání, ale stejně jako doktor používá rentgenové paprsky k zobrazení kostí a orgánů, my používáme mikroskop atomárních sil ke znázornění atomárních struktur, které jsou páteří individuální molekuly," tvrdí Gerhard Meyer, který vedl práce na projektu.
"Metoda skenování nabízí úžasný potenciál pro vytvoření vzoru komplexních funkčních struktur a pro výrobu a studium jejich elektronických a chemických vlastností v atomovém měřítku." Nová technologie zobrazování molekul by se měla významně projevit ve většině přírodovědeckých oborů, které mají něco společného s nanotechnologiemi, ať už v biologii, chemii či molekulární elektronice.
Mikroskopy TEM a STM
První obrazy individuálních atomů pocházejí už z roku 1970 a byly pořízeny transmisním elektronovým mikroskopem (TEM, Transmission Electron Microscop). V podstatě funguje stejně jako klasický světelný mikroskop, jen místo fotonů využívá elektronů.
Nutno podotknout, že TEM nebyl v 70. letech minulého století zdaleka ničím novým, jeho první exemplář byl totiž vyroben už v roce 1931 a to německými výzkumníky Maxem Knollem a Ernstem Ruskem. Elektronový mikroskop se ale k zobrazování molekul příliš nehodí, neboť elektrony narušují spojení mezi atomy tvořícími molekuly.
Další možností, jak zobrazit jednotlivé atomy, je použít řádkovací tunelový mikroskop (STM, Scanning Tunnelling Microscope), který vynalezli roku 1981 fyzikové Gerd Binnig a Heinrich Rohrer (mimochodem opět Němci). Jejich objev znamenal skutečnou revoluci ve zkoumání povrchů látek. Ohromující je především neuvěřitelná přesnost mikroskopu, neboť STM dokáže rozlišit i objekty menší než atom.
Skenovací tunelový mikroskop využívá ke své činnosti efektu kvantového tunelování, povrch vzorku mapuje měřením velikosti tunelového proudu protékajícího mezi zkoumaným povrchem a snímací sondou. Mikroskop je možné využít i pro manipulaci s jednotlivými atomy. Je jasné, že Nobelova cena za tak důležitý objev na sebe nedala dlouho čekat (1986).
AFM – standard současné mikroskopie
Přes své nesporné kvality má STM přece jen jednu nevýhodu, je možné ho použít pouze u elektricky vodivých materiálů. Další pokrok ale přišel poměrně záhy, už v roce 1985 byl vynalezen mikroskop atomárních sil (AFM, atomic force microscope), který umožňuje zkoumat povrch prakticky libovolné látky od vodičů přes izolanty až po organické sloučeniny.
U jeho zrodu stál opět Gerd Binnig, tou dobou v Kalifornii na návštěvě u IBM (spoluautoři Cal Quate a Christoph Gerber). Obraz mikroskopu se vytváří laserovým měřením výkyvů diamantového hrotu zavěšeného na pružném raménku.
Kolísání raménka v podstatě odpovídá velikosti atomárních sil působících mezi povrchem a špičkou sondy, kterou v ideálním případě tvoří jeden jediný atom. V dnešní době je AFM standardním nástrojem pro studium povrchů. Také proto ho využili i pracovníci firmy IBM při zhotovování fotografie molekuly.
Molekulární interakce
Jako zkoumaný vzorek si vědci vybrali organickou molekulu pentacenu C22H14, polycyklického aromatického uhlovodíku, který obsahuje pět lineárně spojených benzenových jader. Jak vidno z chemického vzorce, molekulu tvoří 22 atomů uhlíku a 14 atomů vodíku, délka celé molekuly měří 1,4 nanometru.
Objevil se ale ještě jeden problém. Špička sondy AFM reaguje se zkoumanou molekulou, což pořízení jejího obrazu dost komplikuje. Proto se vědci rozhodli umístit na vrchol sondy mikroskopu molekulu pokud možno málo reaktivní látky, v tomto případě oxidu uhelnatého. V dané konfiguraci pak nehrozí, že by se zkoumaná molekula narušila nebo že by se nalepila na vrchol sondy.
Přitažlivé a odpudivé síly
Mezi hrotem sondy a molekulou pentacenu sice působí Van der Waalsovy síly, ale jejich přitažlivý účinek je kompenzován Pauliho vylučovacím principem. Je to jedno ze základních pravidel kvantové mechaniky, které tvrdí, že žádné dva elektrony (obecně fermiony, mezi než elektrony patří) nemohou být ve stejném kvantovém stavu.
Díky tomu mezi elektrony pentacenu a elektrony oxidu uhelnatého vzniká malá odpudivá síla, která obě molekuly drží od sebe, čímž je zajištěna správná funkce mikroskopu AFM. Vzdálenosti mezi atomy uhlíku v molekule pentacenu činí pouhých 0,14 nanometrů. Na obrázku je jasně vidět hexagonální formát pěti benzenových jader a rozmístění všech uhlíkových atomů.
Z obrázku lze odvodit i pozice jednotlivých atomů vodíku. Optimálního kontrastu bylo dosaženo, když špička sondy mikroskopu byla od molekuly vzdálena 0,5 nanometrů. Celé měření, které nakonec vedlo k vytvoření jedinečného anatomického obrazu molekuly pentacenu, zabralo 20 hodin práce mikroskopu.
Zdroje:
