Scheikundigen maken verdeling elektronen in één enkel molecuul zichtbaar
Scheikundigen van de Universiteit Utrecht en collega's uit Tsjechië hebben voor het eerst de elektronenverdeling in één enkel molecuul zichtbaar weten te maken. De elektronenverdeling in een molecuul is sterk bepalend voor het verloop van chemische reacties. "In feite hebben we nu dan ook alle tools in handen om rechtstreeks individuele chemische reacties tussen twee moleculen te bekijken", aldus de Utrechtse onderzoeksleider dr. Ingmar Swart. Tot nu toe kunnen onderzoekers het verloop van een reactie alleen indirect afleiden uit informatie over minimaal tientallen moleculen. De resultaten van het onderzoek zijn 27 mei 2016 gepubliceerd in Nature Communications.
Met de beste microscopen is het net mogelijk één enkel molecuul in beeld te brengen, maar inzoomen op de elektronenverdeling is onmogelijk. De Utrechtse en Tsjechische onderzoekers maakten daarom inventief gebruik van een ontdekking uit eerder onderzoek naar het in beeld brengen van een molecuul met een Atomic Force Microscope (AFM). Een AFM tast het oppervlak van het te onderzoeken molecuul af met een 'naald' waarvan de punt bestaat uit slechts één atoom. In het eerder onderzoek, dat werd gepubliceerd in Physics Review Letters, ontdekten ze dat de ladingsverdeling in deze atoompunt ertoe leidt dat de moleculen vervormd worden afgebeeld. In dit onderzoek laten ze zien dat deze vervormingen gebruikt kunnen worden om de ladingsverdeling in beeld te brengen.
Twee opnamen
Hiervoor maken de onderzoekers twee opnamen. Eén opname met een elektrisch ongeladen atomaire punt en één met een enigszins geladen atomaire punt. De geladen atomaire punt reageert op de elektronenverdeling in het molecuul en levert dus een ander beeld op dan de ongeladen atomaire punt. Uit het verschil tussen deze beelden kan de verdeling van de elektronische lading over het molecuul berekend worden met atomaire resolutie. De resultaten van de microscoopopnamen komen zeer goed overeen met berekeningen volgens de Density Functional Theory (DFT), de theorie die wordt gebruikt om de elektronenstructuur in grotere moleculen te berekenen.
Chemische reacties voorspellen en sturen
Uiteindelijk willen de onderzoekers een chemische reactie tussen twee moleculen onder de microscoop laten plaatsvinden en bekijken. Swart: "Door heel gecontroleerd het ene molecuul naar het andere te bewegen, kunnen we precies zien vanaf welk moment ze elkaar voelen en wat dat voor processen in gang zet. Dit zal ongetwijfeld nieuwe inzichten opleveren waarmee we chemische reacties beter kunnen voorspellen en sturen. Dat kan interessant zijn om bestaande chemische productieprocessen efficiënter en schoner te maken."
Dit onderzoek is mede gefinancierd door een ECHO-Stip subsidie van NWO, onderdeel van het Sectorplan natuur- en scheikunde.
Referentie
Mapping the electrostatic force field of single molecules from high-resolution scanning probe images, Nature Communications, 27 mei 2016. DOI: 10.1038/ncomms11560