Химия одиночной молекулы

Сегодня ученые могут увидеть и распознать одну молекулу и даже манипулировать ей. Новое знание позволяет, например, увидеть поверхностные комплексы, катализирующие многие процессы. А главное, что можно уже не только увидеть, но и манипулировать молекулами, и моделировать из них разные наноструктуры.

Основное в химии одиночных молекул - аналитические методы. Сканирующий электронный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 году, и тогда же во многих научных центрах начали активно развиваться методы, с помощью которых можно наблюдать за отдельными молекулами. Хотя теоретически все было подсчитано и предсказано, понадобилось почти 20 лет, чтобы получить первый колебательный спектр одной адсорбированной частицы.

Рисунок 1 – Сканирующая туннельная микроскопия

Идея сканирующей туннельной микроскопии проста (рис. 1) - игла туннельного микроскопа направлена на молекулу, расположенную на поверхности твердого тела. Расстояние между иглой и молекулой должно быть больше, чем размеры молекулы, чтобы не перекрывались атомные орбитали острия и поверхности. Между острием иглы и поверхностью подают напряжение. В какой-то момент напряжение, а значит, и энергия туннелирующих электронов попадает в резонанс с электронно-колебательными уровнями адсорбированной молекулы, и происходит резкий скачок проводимости. Значение напряжения, при котором происходит скачок туннельного тока, строго индивидуально для каждой молекулы, а потому дает ее точный «портрет».

Безусловно, улучшается качество знания и его точность. Вместе с тем есть области, в которых химия одиночных молекул и связанные с ней технологии приносят действительно новые и иногда неожиданные знания. Например, гетерогенный катализ и биологическое подразделение химии ожидает подъем именно на базе новых технологий.

Химия одиночных молекул - это в первую очередь инструмент для управления химическими реакциями, а также для создания новых высоких молекулярных технологий.

Исследователи учатся манипулировать отдельными молекулами и атомами. Все это необходимо для создания молекулярных конструкций — элементов наноэлектроники, нанооптики или наномеханики. Возможно, в этом главное достижение химии одиночных молекул.

Если подытожить все, что уже научились делать с отдельными молекулами, то получится весьма внушительный список: ученые умеют вращать одну молекулу и ориентировать ее поверхности; заставлять ее переходить с одного места на другое (не только по плоскости, но и по вертикали - с иглы на поверхность и обратно); помещать в нужное место и разрывать. Зачастую все эти манипуляции контролируют с помощью всего двух параметров — тока и напряжения.

Сканирующие туннельные микроскопы и родственные им приборы используют в качестве рабочих инструментов, чтобы из отдельных атомов строить наномасштабные конструкции. Свойства подобных наноконструкций уникальны. Они могут иметь рекордную твердость или легкость, высокую адсорбционную или реакционную способности. Можно направленно изменять проводимость таких конструкций, варьируя их атомное строение или воздействуя магнитными полями. Эти технологии порождают множество идей: как применять такие наноматериалы в разных областях химии, электроники, техники и медицины.