IBM &Warwick stellen erstmals hochreaktives dreieckiges Molekül dar

Triangulene erhält dank Wissenschaftlern von IBM und der University of Warwick seine erste Nahaufnahme

(7. April, UPDATE:Das Papier wird auf dem Cover der April-Ausgabe von Nature Nanotechnology vorgestellt).

Der April 2017 Band 12 Nr. 4 von Nature Nanotechnology. Bildnachweis Niko Pavlicek, IBM Research. Coverdesign:Bethany Vukomanovic

Heute in Nature Nanotechnology veröffentlicht, machen IBM-Wissenschaftler wirklich das Unsichtbare sichtbar

Vor einigen Wochen hat IBM zu diesem Thema seine jährlichen fünf Prognosen für die nächsten fünf Jahre veröffentlicht. IBM-Wissenschaftler in Zürich liefern ein gutes Argument, um mit ihrer neuesten wissenschaftlichen Errungenschaft eine sechste Vorhersage hinzuzufügen – die Abbildung einiger der kleinsten Objekte, die der Wissenschaft bekannt sind.

Moleküle wie Pentacen, Olympicen, Hexabenzocoronen und Cephalandole A sind zwar keine bekannten Namen, aber allesamt mikroskopisch kleine Moleküle, die traditionell mit 2D-Stabmodellen dargestellt werden – denken Sie an Ihren Chemieunterricht an der High School zurück.

Aber dank einer 2009 von den IBM-Wissenschaftlern veröffentlichten Mikroskopietechnik können Physiker, Biologen und Chemiker auf der ganzen Welt diese Moleküle jetzt mit bemerkenswerter Klarheit und Präzision abbilden, in einigen Fällen sogar zum ersten Mal, Jahrzehnte nachdem sie erstmals theoretisiert wurden Studiere und manipuliere mit unglaublicher Präzision.

David Fox von der University of Warwick erklärt:„Für Chemiker ist es erstaunlich, einzelne Moleküle in so hoher Auflösung sehen zu können, insbesondere ungewöhnliche oder hochreaktive. Es ist der beste Weg, ihre Struktur zu bestätigen.“

Prof. David Fox, University of Warwick, arbeitete erstmals 2012 mit IBM Research zusammen.

Neben der Bildgebung ist das IBM-Team, zu dem die beiden Gewinner des European Research Council (ERC) gehören, Leo Gross und Gerhard Meyer, auch in der Lage, Moleküle zu manipulieren, um chemische Reaktionen auszulösen, sodass Moleküle aus adsorbierten Vorläufermolekülen synthetisiert werden können.

So lösten und beobachteten die Wissenschaftler vor fast einem Jahr in Zusammenarbeit mit CiQUS an der Universität Santiago de Compostela eine faszinierende molekulare Umlagerungsreaktion, die als Bergman-Cyclisierung bekannt ist, und im Jahr zuvor untersuchten und visualisierten sie Arine, eine Familie hoch- reaktive kurzlebige Moleküle, die vor 115 Jahren erstmals vorgeschlagen wurden – was beweist, dass sie tatsächlich existieren. Und jetzt tun sie es wieder.

Heute in Nature Nanotechnology erschienen, haben IBM-Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit Chemikern der University of Warwick ein kniffliges Molekül namens Triangulen, auch bekannt als Clars Kohlenwasserstoff, synthetisiert und charakterisiert, das erstmals 1953 vermutet wurde.

Anish Mistry von der University of Warwick fährt fort:„Chemiker dachten immer, dass Triangulen zu instabil wäre, um es zu isolieren. Aufbauend auf unserer früheren Olympia-Kollaboration haben wir dem Molekül einen zusätzlichen Ring und der Wissenschaft ein zusätzliches Maß an Komplexität hinzugefügt, aber es ist uns gelungen, ein zuvor unmögliches Molekül mit potenziell wirklich interessanten Eigenschaften herzustellen.“

Der Erstautor des Papiers, IBM-Forscher Niko Pavliček, kommentiert:„In dieser Arbeit haben wir unsere atomare Manipulationstechnik aus den Arbeiten von Aryne und Bergman verwendet, um Triangulen zu erzeugen, das noch nie zuvor synthetisiert wurde. Es ist ein herausforderndes Molekül, weil es hochreaktiv ist, aber es ist auch wegen seiner magnetischen Eigenschaften besonders interessant.“

Wie in früheren Veröffentlichungen gezeigt, verwenden IBM-Wissenschaftler ein einzigartiges kombiniertes Rastertunnelmikroskop (STM) und Rasterkraftmikroskop (AFM), die beide in den 1980er Jahren von ehemaligen IBM-Wissenschaftlern erfunden und mit dem Nobel- bzw. Kavli-Preis ausgezeichnet wurden.

In ihrer neuesten Forschung wurde die scharfe Spitze des kombinierten STM/AFM verwendet, um zwei Wasserstoffatome aus dem Vorläufermolekül zu entfernen. Das STM führt seine Messung durch quantenmechanisches Tunneln von Elektronen zwischen einer Spitze, die sehr nahe an eine Probenoberfläche gebracht wird, und Anlegen einer Spannung zwischen ihnen durch. Bei entsprechend hoher Spannung können die „tunnelnden Elektronen“ die Entfernung der spezifischen Bindungen innerhalb des Vorläufermoleküls induzieren. Das Produktmolekül kann dann bei der Bildgebung bei geringeren Spannungen durch seine Molekülorbitale charakterisiert werden.

Diese Messungen, kombiniert mit Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie, bestätigten, dass Triangulen die Eigenschaften der freien Moleküle auf der Oberfläche behält.

Das Team verwendete auch das AFM mit einer Spitze, die mit einem einzelnen Kohlenmonoxidmolekül endet, um das planare Molekül mit seinen sechs verschmolzenen Benzolringen, die in einem symmetrischen Dreieck erscheinen, zum ersten Mal aufzulösen oder abzubilden. Die Ergebnisse sorgten für einige angenehme Überraschungen.

IBM-Wissenschaftler Leo Gross hat die AFM-Technik zur Abbildung von Triangulen mitentwickelt.

Gross erklärt:„Radikale weisen ungepaarte Elektronen auf, und wir haben zuvor Sigma-Radikale untersucht. In diesen werden die ungepaarten Elektronen bestimmten Atomen zugeordnet und wir fanden, dass diese immer mit Kupfer Bindungen eingehen. Wir waren jedoch überrascht, dass sich für Triangulen auf Kupfer keine Bindung bildete. Wir denken, dass das daran liegt, dass Triangulen ein Pi-Radikal ist, was bedeutet, dass seine ungepaarten Elektronen delokalisiert sind.“

Es sind genau diese ungepaarten Elektronen, die das Molekül interessant machen. In der klassischen Physik besitzt ein geladenes Teilchen, das sich im Raum bewegt, einen Drehimpuls und erzeugt ein magnetisches Feld um es herum. In der Quantenmechanik besitzt jedes Teilchen – sich im Raum bewegend oder nicht – einen zusätzlichen Eigendrehimpuls, der als „Spin“ bezeichnet wird. In den meisten konventionellen Kohlenwasserstoffen sind Elektronen immer gepaart und die Wirkung ihrer Spins hebt sich auf. Aber in Molekülen wie Triangulen führt der Spin der ungepaarten Elektronen zu Magnetismus auf molekularer Ebene.

Die Autoren glauben, dass es neben der Wissenschaft auch mehrere interessante Anwendungen für diese Arbeit gibt.

Pavliček erklärt:„Triangulen-ähnliche Segmente, die in Graphen-Nanobänder eingebaut sind, wurden als elegante Möglichkeit vorgeschlagen, organische spintronische Bauelemente zu entwickeln.“

Graphen-Nanobänder werden für Anwendungen in Nanokompositmaterialien erforscht, die sehr stark und leicht sind. Das Gebiet der Spintronik wird von Gruppen auf der ganzen Welt, darunter auch bei IBM, zur Informationsspeicherung und -verarbeitung untersucht.

Pavliček fährt fort:„Wir konnten auch zeigen, dass sein Magnetismus auf Xenon- oder Natriumchlorid-Oberflächen überlebt. Wir können uns jedoch mit unserem Mikroskop (dem kein Magnetfeld fehlt) ein detailliertes Bild von seinem magnetischen Zustand und möglichen Anregungen machen, sodass es für andere Gruppen viel zu entdecken und zu entdecken gibt.“

Ein Teil dieser Forschung wird im Rahmen eines neuen kollaborativen Konsortiums durchgeführt, das IBM ins Leben gerufen hat, das IBM Research Frontiers Institute. In diesem Rahmen entwickeln und teilen die Mitglieder des Instituts gemeinsam bahnbrechende Technologien und untersuchen deren Auswirkungen auf das Geschäft.

Die Forschung wurde auch teilweise von der Europäischen Kommission im Rahmen der H2020-PAMS- und ITN-QTea-Projekte und der ERC-Grants CEMAS und AMSEL finanziert.

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