Οι πρώτες εικόνες από μόρια τη στιγμή που αλλάζουν φορτίο

Οι επιστήμονες του ερευνητικού κέντρου της IBM (IBM Research) με συνεργάτες από το CiQUS, το Universidade de Santiago de Compostela και την ExxonMobil κατάφεραν να απαθανατίσουν, σε πραγματικό χρόνο, μόρια να αλλάζουν φορτίο με τη χρήση μικροσκοπίας εξελιγμένης τεχνολογίας.

Αποτύπωσαν σε φωτογραφίες τις δομικές αλλαγές 4 μορίων καθώς προσέθεταν και αφαιρούσαν ηλεκτρόνια. Πρόκειται για ερευνητική δουλειά 10 ετών, η οποία ξεκίνησε το 2009 όταν παρουσίασαν τη χρήση της απεικονιστικής αυτής μεθόδου για μόρια. Μέχρι το 2015 περιέγραψαν το πώς θα ελέγξουν το φορτίο δίνοντάς μας σήμερα αυτό το αποτέλεσμα.

Εκτός από ένα μαγικό θέαμα, θα αποσαφηνίσει και πολλές μοριακές διαδικασίες στους ζωντανούς οργανισμούς, όπως η κατάλυση και οι χημικές αντιδράσεις των μεταβολικών μονοπατιών μέσω των οποίων το σώμα παράγει και μεταφέρει την ενέργεια.

Τα 4 μόρια, αζωβενζόλιο (azobenzene), πεντακένιο (pentacene), τετρακυανοδιµεθάνιο (tetracyanoquinodimethane, TCNQ) και πορφίνη (porphine) τοποθετήθηκαν σε Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης (Atomic Force Microscopy, AFM) σε ένα κρύο θάλαμο με κενό αέρος ώστε να μην επηρεάσει τις μεταβολές. Εισάγοντας ένα μόριο τη φορά πάνω σε μια επιφάνεια NaCl (χλωριούχου νατρίου), διοχέτευαν μέσω της ακίδας του μικροσκοπίου δυναμικό για την μεταφορά ηλεκτρονίων.

Απεικόνισαν κάθε μόριο σε 4 καταστάσεις: θετική (χωρίς 1 ηλεκτρόνιο), ουδέτερη (ίσο αριθμό πρωτονίων & ηλεκτρονίων), αρνητική (με επιπλέον ένα ηλεκτρόνιο) και διπλά αρνητική (με επιπλέον 2 ηλεκτρόνια). Και τα 4 μόρια αντέδρασαν διαφορετικά σε κάθε αλλαγή φορτίου.

Το αζωβενζόλιο συστράφηκε. Με την προσθήκη ηλεκτρονίων το πεντακένιο έγινε πολύ πιο δραστικό. Στο TCNQ άλλαξαν οι δεσμοί ανάμεσα στα άτομα και μάλιστα μετακινήθηκε πάνω στην επιφάνεια. Και στο porphine δεν άλλαξαν μόνο οι τύποι των δεσμών αλλά και το μήκος τους.

Η πορφίνη έχει ιδιαίτερη σημασία καθώς είναι μητρική ένωση των πορφυρίνων, οργανικών ενώσεων που συμμετέχουν στο σχηματισμό τόσο της χλωροφύλλης όσο και της αιμοσφαιρίνης. Δείτε παρακάτω πώς αλλάζει δομή καθώς χάνει ηλεκτρόνια.

--

Πηγές:

1. Fatayer, S., Albrecht, F., Zhang, Y., Urbonas, D., Peña, D., Moll, N., & Gross, L. (2019). Molecular structure elucidation with charge-state control. Science, 365(6449), 142-145.
2. Imaging molecules in different charge states ibm.com
3. Gross, L., Mohn, F., Moll, N., Liljeroth, P., & Meyer, G. (2009). The chemical structure of a molecule resolved by atomic force microscopy. Science, 325(5944), 1110-1114.
4. Steurer, W., Fatayer, S., Gross, L., & Meyer, G. (2015). Probe-based measurement of lateral single-electron transfer between individual molecules. Nature communications, 6, 8353.