Если Вы взяли химию средней школы, то Вы, несомненно, вспоминаете причудливые рисунки «орбиталей», описывающих, где в атоме или молекуле электрон, вероятно, будет найден. Напоминая странные облака с многократными лепестками, формы и ориентация орбиталей управляют, куда электроны могут пойти и как молекулы могут разделить или обменять их в химическом соединении и взаимодействиях.
Теперь, бригада исследователей сделала ключевой шаг к прямому измерению орбиталей молекул, лежащих на поверхности, трансгрессия, которая должна позволить теоретикам проверить результаты своих вычислений квантовой механики высокой точности и могла проложить путь проектировщику молекулярные устройства.Для добиваний прогресса бригады физиков при Исследовании IBM, Цюрих в Швейцарии и Ливерпульский университет в Соединенном Королевстве использовали устройство, названное растровым туннельным микроскопом (STM). Это состоит из крошечного металлического пальца с наконечником только несколько атомов, широких, который двигается вперед-назад чуть выше поверхности образца. Когда ученые применяют напряжение к пальцу, электроны могут прыгать между ним и поверхностью посредством процесса, названного квантовым туннелированием.
В самой простой установке размер потока показывает плотность электронов в поверхности, позволяя ему планироваться.Но это не достаточно хорошо для картографирования орбиталей отдельной молекулы.
Прежде всего плотность электронов непосредственно не показывает математическую структуру орбитали. Поэтому плотность в данном пункте зависит только от математического квадрата орбитали, тогда как орбиталь может также иметь положительный или отрицательный знак.
Фактически, это может обычно быть комплексное число и с «реальной» частью, это – обычное число и «воображаемая» часть, это умножается на квадратный корень одного. То комплексное число определяет «фазу» того пятна в орбитали. Более практически заурядный STM не имеет пространственного разрешения для обнаружения мелких деталей орбитали. И поверхность ниже типовой молекулы является обычно металлической, также, и ее гладкое, невыразительное месиво электронных орбиталей может скрыть молекулу, лежащую поверх него.
Но Лео Гросс и коллеги от Исследования IBM Цюрих и Поверхностный Центр Научного исследования в Ливерпульском университете в Соединенном Королевстве нашли пути вокруг этих проблем. Основываясь на этом предшествующем исследовании, они сначала изолировали молекулы, которые они хотели изучить — органические молекулы, названные pentacene и naphthalocyanine — покрытием поверхность ниже с ультратонким слоем изолирования соли.
Затем чтобы улучшить разрешение STM и сделать его чувствительным к фазе орбитали молекулы, исследователи прикрепили единственную молекулу моноксида углерода на металлическом наконечнике STM. Моноксид углерода имеет простую, но отличительную наиболее удаленную орбитальную структуру с два бок о бок лепестки, придерживающиеся из конца наконечника, один с положительной фазой и другим отрицательная фаза.
Та разность фаз от одной стороны наконечника к другому делает поток, пробегающий наконечник чувствительный к изменениям в фазе орбитали молекулы ниже, также. Фактически, текущие макси, когда plus-minus лепестки в наконечнике выстраиваются в линию по plus-minus лепесткам в орбитали. Поток опускается до нуля, когда наконечник передает по единственному лепестку, плотному с нагрузкой, потому что нагрузка и фаза двух лепестков молекулы моноксида углерода взаимодействуют с орбиталью молекулы и уравновешиваются, предотвращая электроны от туннелирования до.
Это означает, что наконечник особенно хорош в планировании «узлов» или мест, где орбиталь молекулы изменяет знак. Те – также места, куда орбиталь переходит к нолю, и электрон, несомненно, не будет найден.
Таким образом исследователи нанесли на карту «центральную структуру» орбитали основной молекулы, по существу делая набросок схемы мест, содержавших электроны.«Они создали миленькие картины», говорит Дэвид Вильнев, лидер программы attosecond науки в Национальном исследовательском совете Канады в Оттаве. Метод STM является ценным новым путем к изображению молекула, говорит Вильнев. «Иногда квантовые вычисления не правильны, и иногда Вы видите вещи, которые Вы не ожидаете», говорит он.
Сами исследователи надеются, что метод приведет к техническим дизайнерским орбиталям для машинного оборудования размера молекулы.