Субатомный бит, сформированный двумя протонными тоннельными переходами в простой органической молекуле, может быть переключен, приблизившись к единственному медному атому к молекуле. Захватывающий эксперимент, чтобы продемонстрировать явление был выполнен командой исследователей от Фрица-Хабера-Инститьюта Макса-Планка-Гезеллшафта (FHI) в Берлине, Ливерпульский университет (UL) и Институт Физической Химии польской Академии наук (ПЕРВЕНСТВО IPC) в Варшаве. Об эксперименте сообщили в работе, опубликованной по своей природе Химия.В исследовании исследователи использовали определенные свойства porphycene молекулы.
Porphycene (C20H14N4) – производная порфирина. Химические соединения, принадлежащие этой группе, происходят естественно.
Они найдены, например, в человеческой крови, где они вовлечены в реакции, связанные с транспортом кислорода. У их молекул есть форма плоских углеродных колец с водородными атомами снаружи и четырьмя атомами азота внутри, расположенный в углах четырехугольника.
В центре porphycene молекулы, в пустом месте, окруженном атомами азота, есть два протона (т.е., ядра водородных атомов), который может перемещаться между азотами. Интересно, что оба протона всегда перемещаются вместе. Исследование, выполненное больше десятилетия командой профессора Яцека Уолука (ПЕРВЕНСТВО IPC), предполагает, что движение протонов не просто смещение в космосе.
Протоны меняют свои положения из-за квантового тоннельного эффекта: использование принципа неуверенности они просто исчезают в одном месте и вновь появляются в другом.В Берлинской лаборатории FHI porphycene молекулы, обеспеченные командой профессора Уолука, были депонированы индивидуально на поверхность прекрасного медного кристалла. Работа не была легким и необходимым развитием соответствующих методов – без них, porphycene молекулы имели тенденцию формировать группы (совокупности).Последующий шаг был экспериментами под высоким вакуумом и при очень низкой температуре (5 K, что означает пять степеней выше абсолютного нуля).
Единственное porphycene наложение молекулы на медном основании наблюдалось с тоннельным микроскопом просмотра. Инструмент допускал делающие запись изменения в электронной плотности молекулы, и таким образом для того, чтобы наблюдать изменения ее формы. Изображения, полученные с этой техникой, позволенной определить текущие положения обоих протонов. Поэтому исследователи смогли наблюдать движение атомов в молекуле в ходе химической реакции.
«Мы были в значительной степени удивлены найти, что после внесения на медном основании, водородные ионы в porphycene молекуле сформировали конфигурацию, которая никогда не наблюдалась до сих пор, несмотря на многих, много лет исследования в области этого комплекса. Вместо того, чтобы быть расположенными в противоположных углах четырехугольника, сформированного атомами азота, оба протона заняли позиции друг рядом с другом.
Вполне удивительно мы нашли новый porphycene tautomer!», комментирует профессор Уолук.Используя наконечник тоннельного микроскопа просмотра, в последующих попытках единственный медный атом подвинулся поближе к porphycene молекуле с различных сторон.
Оказалось, что в зависимости от положения медного атома, оба протона в porphycene, перемещающемся между атомами азота, были расположены однажды на одной стороне, и затем с другой стороны молекулы. Таким образом porphycene молекула действовала как двоичный переключатель, которым управляют с единственным медным атомом только.
Изменение в положении медного атома меньше чем одной десятимиллионной метра было достаточно, чтобы начать переход между государствами.Исследование, выполненное командой от FHI, UL и ПЕРВЕНСТВА IPC, доказывает, что близость молекулы может существенно затронуть свои физические и химические свойства. Результаты исследования показывают, что при определенных условиях средой молекул нужно управлять с атомной точностью. С другой стороны, наблюдаемая чувствительность к изменениям в окружающей среде открывает путь к разработке методов для регулирования процессов, происходящих в единственных молекулах.
«Кажется вероятным, что чувствительность молекулы к ее близости, найденной нами, является общим явлением по своей природе. Явление может эксплуатироваться, например, в проектировании наномашин, обрабатывающих информацию на уровне единственной молекулы», подводит итог профессор Уолук.