سجل الباحثون تحطيم روابط كيميائية واحدة – “مذهل”

باستخدام التقنيات المجهرية المتقدمة في جامعة برينستونسجل الباحثون تحطم رابطة كيميائية واحدة بين الكربون نووي وذرة حديد في جزيئات مختلفة.

استخدم الفريق مجهر طاقة نووية عالي الدقة (AFM) يعمل في بيئة خاضعة للرقابة في مركز التصوير والتحليل في برينستون. يتم تحريك مسبار AFM ، الذي ينتهي طرفه في ذرة نحاس واحدة ، تدريجياً بالقرب من رابطة الحديد والكربون حتى يتحلل. قام الباحثون بقياس القوى الميكانيكية المستخدمة في لحظة الانكسار ، والتي تظهر في الصورة الملتقطة بواسطة المجهر. أعلن فريق من جامعة برينستون وجامعة تكساس-أوستن وإكسون موبيل النتائج في دراسة في 24 سبتمبر 2021. اتصالات طبيعية.

قال المؤسس المشارك كريج أرنولد ، سوزان تود براون ، أستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية ، ومدير معهد برينستون لعلوم وتكنولوجيا المواد: “إنه فيلم مذهل – إنه حقًا مذهل كيف يرتبط جزيء صغير به على السطح”. نشور زجاجي).

قال أرنولد: “حقيقة أنه يمكننا تصنيف تلك الرابطة المعينة ، عن طريق سحبها ودفعها ، هي أن طبيعة هذه الأنواع من الروابط – قوتها ، وكيفية تفاعلها – كلها لها آثار. إنها تنهار”.

لاحظ نان ​​ياو ، الباحث الرئيسي في الدراسة ومدير مركز برينستون للتصوير والتحليل ، أن كسر الربط كشف عن رؤى حول كيفية امتصاص سطح جهاز الامتصاص. قال ياو إن تحسين تصميم المحفزات الكيميائية مناسب للكيمياء الحيوية وعلوم المواد وتقنيات الطاقة.

في التجارب ، كانت ذرة الكربون جزءًا من جزيء أول أكسيد الكربون وجاءت ذرة الحديد من الصباغ المشترك والمحفز الكيميائي فثالوسيانين الحديد. يتكون الحديد الفثالوسيانين مثل صليب متماثل ، مع ذرة حديد واحدة في وسط مجمع الحلقات المرتبطة بالنيتروجين والكربون. تتفاعل ذرة الكربون مع كربون أول أكسيد الكربون ، ويتشارك الحديد والكربون في زوج من الإلكترونات في رابطة تساهمية.

استخدم ياو وزملاؤه مسبار المقياس الذري الخاص بأداة AFM لكسر رابطة الحديد والكربون بين الطرف والجزيئات المرتبطة عن طريق التحكم بدقة في المسافة إلى 5 بيكومتر (5 مليارات من المليمتر). حدث الكسر عندما كانت جزيئات الطرف 30 بيكومتر فوق ما يعادل سدس عرض ذرة الكربون. عند هذا الارتفاع ، أصبح نصف جزيء فيتولوسيانين الحديد غير واضح في فيلم AFM ، مما يشير إلى نقطة انهيار الرابطة الكيميائية.

استخدم الباحثون نوعًا من AFM غير ملامس ، حيث لا يتفاعل طرف المجهر بشكل مباشر مع الجزيئات التي يتم فحصها ، ولكن بدلاً من ذلك يستخدم تغيرات تردد الاهتزازات المجهرية لإنشاء صورة لسطح الجزيئات.

من خلال قياس هذه التغييرات في التردد ، تمكن الباحثون أيضًا من حساب القوة المطلوبة لكسر الرابطة. يكسر طرف المسبار النحاسي القياسي الرابطة بين الحديد والكربون بقوة جذابة تبلغ 150 بيكون فيتون. مع وجود جزيء آخر من أول أكسيد الكربون مرتبط بالطرف ، تم كسر الرابطة بقوة تنافر 220 biconevtons. لاستكشاف أساس هذه الاختلافات ، استخدم الفريق طرق محاكاة الكم لنمذجة التغيرات في كثافة الإلكترونات أثناء التفاعلات الكيميائية.

يتم استخدام العمل لصالح تم تطوير تقنية AFM لأول مرة في عام 2009 لتصور روابط كيميائية واحدة. تعتبر الرابطة الكيميائية التي يتم التحكم فيها باستخدام نظام AFM أكثر صعوبة من الدراسات المماثلة حول تكوين الرابطة.

يقول ليو كروس Leo Cross ، الذي يقود فريق أبحاث التلاعب النووي والجزيئي في شركة IBM: “إن تحسين فهمنا للكيفية التي يمكن أن تؤدي بها التفاعلات النووية ، أي المسح الضوئي ، إلى تفاعلات كيميائية باستخدام رأس المجهر ، يمثل تحديًا كبيرًا”. يذاكر حللت أولاً التركيب الكيميائي للجزيء بواسطة AFM.

من خلال كسر رابطة معينة بمراجع مختلفة باستخدام طريقتين مختلفتين ، فإن الدراسة الجديدة “تساعد على تحسين فهمنا والتحكم في الانشطار عن طريق التلاعب النووي. قال كروس ، الذي لم يشارك في الدراسة ، إنه يضيف إلى مجموعة أدواتنا للكيمياء عن طريق التلاعب النووي ويمثل خطوة إلى الأمام في إنشاء جزيئات مصممة بشكل متزايد التعقيد.

الاختبارات شديدة الحساسية للاهتزازات الخارجية والعوامل المزعجة الأخرى. يتم وضع أداة AFM الخاصة بمركز التصوير والتحليل في بيئة فراغ عالية ويتم تبريد المنتجات إلى درجة حرارة 4 كلفن ، بضع درجات فوق الصفر المطلقباستخدام سائل الهيليوم. تضمن هذه الشروط الخاضعة للرقابة قياسات دقيقة بأن مستويات الطاقة وتفاعلات الجزيئات تتأثر فقط بالتلاعب التجريبي.

قال ياو: “أنت بحاجة إلى نظام جيد ونظيف لأن هذا التفاعل يمكن أن يكون معقدًا للغاية – مع وجود الكثير من الذرات ، قد لا تعرف أي رابطة صغيرة تنكسر على هذا النطاق الصغير”. قال “تصميم هذا النظام جعل العملية برمتها أسهل ووضح المجهول”.

ملاحظة: Pengcheng Chen ، و Ding Xin Fan ، و Yunlong Zhang ، و Annabella Celloni ، و Emily A. كارتر ، كريج ب. أرنولد ، ديفيد ج. تانكورث ، ستيفن ب. روكر ، جيمس ر. سيليكوفسكي وأنا ياو ، 24 سبتمبر 2021 ، اتصالات طبيعية.
DOI: 10.1038 / s41467-021-25932-6

المؤلفون الرئيسيون للدراسة هم Pengcheng Sen ، باحث مشارك في PRISM و Fan PhD of DX. طالبة بجامعة تكساس – أوستن. بالإضافة إلى ياو ، يون لونج زانج من معهد إكسون موبيل للأبحاث والهندسة في أنانديل ، نيو جيرسي ، والبروفيسور جيمس ر. في جامعة أوستن. Selikovsky هو المؤلف الآخر. بالإضافة إلى أرنولد ، فإن المؤلفين المشاركين الآخرين في جامعة برينستون هم أنابيلا سيلوني وديفيد ب. جونز للكيمياء وإميلي كارتر ، غيرهارد ر. Andlinger ’52 أستاذ الطاقة والبيئة. المؤلفون المشاركون الآخرون لإكسون موبيل هم ديفيد تانجوورث وستيفن روكر.

دعمت ExxonMobil هذا العمل جزئيًا من خلال عضويتها في Princeton E-ffiliates Alliance التابع لمركز Andlinger للطاقة والبيئة. يتم دعم مركز التصوير والتحليل بجامعة برينستون من قبل مركز برينستون للمواد المعقدة ، والمركز القومي لبحوث المواد والعلوم والهندسة التابع لمؤسسة العلوم الوطنية. تم تقديم دعم إضافي من قبل مؤسسة ويلش ووزارة الطاقة الأمريكية.