İzotopik bileşimleri de dahil olmak üzere tek moleküllerin kimyasal özellikleri hakkında yeni bilgiler mikroskobik mekanik ölçümlerle ortaya çıkarılmaktadır.
Atomlar ve moleküller, görülemeyecek kadar küçük olsalar bile gerçekten görünmez değildir ve deneyciler yine de onlara erişebilir. Araştırmacılar, atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı tünelleme mikroskobu (STM) ikiz teknikleri sayesinde yüzeylerdeki molekülleri çarpıcı ayrıntılarla görüntüledi ve onları mükemmel bir hassasiyetle hareket ettirdi.
AFM bir yüzeyi taramak için sivri uçlu bir prob kullanırken, STM bunu yapmak için bir elektron akımı kullanır. Bununla birlikte, tek molekül metodolojileri repertuarı kapsamlı olmaktan uzaktır ve bilim insanları daha fazla çözüm buldukça, sormaları gereken daha fazla soru vardır.
Örneğin, bir molekülün kendine özgü mikro çevresi onun kimyasal ve fiziksel özelliklerini nasıl etkiler?
Ve iki molekül çarpıştığında ve reaksiyona girdiğinde hangi atomlar nereye gider, bu da sıklıkla çok sayıda özdeş atomun yeniden düzenlenmesini içeren bir sarsıntıdır?
Regensburg Üniversitesi araştırmacıları bu ve benzeri sorunlara yanıt bulmak amacıyla beklenmedik yeni bir enstrümanı tanıttı:
AFM kullanarak tek tek moleküllerin elektron spin rezonansını (ESR) ölçme yeteneği. Elektron spin durumları arasındaki enerji farklarını araştırır.
Elektron spin rezonansı (ESR), daha iyi bilinen nükleer manyetik rezonansın (NMR) bir kuzenidir.
ESR, izotopik olarak etiketlenmiş moleküllerin izlenmesine izin verir ve elektron spinleri nükleer spinlerle ilişkili olduğu için aynı elementin izotopları arasında ayrım yapar. Ayrıca, standart bir AFM ucu ile kullanıldığında moleküler görüntüleme ve kontrol için mevcut yöntemlerle zahmetsizce birleştirilebilir.
Tek atomlu ve moleküler ESR ölçümleri şu anda STM kullanılarak mümkündür. Etkili olmasına rağmen, bu yöntem optimal değildir. Tek bir elektronik spin durumunu araştırmak için milyonlarca elektron akışı kullanır, bu da spinin tutarlılığına müdahale eder ve ölçümü zorlaştırır. Bunun nasıl başarılacağı belirsiz olsa da, AFM daha düşünceli bir strateji olacaktır.
Dipol-dipol etkileşimi veya değişim etkileşimi (Pauli dışlama ilkesine dayanır) yoluyla, bir elektron spini bir AFM ucuna kuvvet uygulayabilir. Ancak, bu kuvvetlerin hiçbiri şimdiye kadar atomik ölçekte bir ESR ölçümü üretmemiştir.
Regensburg’daki araştırmacılar aldatıcı bir strateji benimsiyor. Eğer molekül uyarılmış bir triplet durumundaysa, moleküler spini moleküler yüke dönüştürmek için molekülden bir elektron çıkarıyorlar. Ardından, AFM kullanarak molekülün yüklü olup olmadığını hızla belirleyebiliyorlar. Bir RF darbesinin frekansını izlerken bu prosedürü binlerce kez tekrarlayarak molekül spin rezonanslarıyla ilişkili RF enerjilerini tanımlıyorlar. Kısmen veya tamamen nötrleştirilmiş organik moleküller, prensip kanıtı ESR ölçümleri ile ayırt edilebilir. Hidrojen atomları, izotoplarından çok daha az olmak üzere, geleneksel AFM görüntüleme ile neredeyse hiç tespit edilemez.
Kaynak: Physics Today
