IBM Und Warwick Wissenschaftler Erfassen Erstes Hochauflösendes Bild Von Triangulene, Einem Hochreaktiven Dreieckigen Molekül

Triangulene erhält sein erstes Close-up dank IBM und University of Warwick Forschern.

(7. April, UPDATE: Das Paper ist auf dem Cover der April-Ausgabe von Nature Nanotechnology gefeatured.)

Der April 2017 Volume 12 No 4 von Nature Nanotechnology. Image credit Niko Pavlicek, IBM Research. Cover design: Bethany Vukomanovic

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

Vor wenigen Wochen veröffentlichte IBM seine jährlichen fünf Vorhersagen für die nächsten fünf Jahre. Jetzt fügen Zürcher Forscher eine sechste Vorhersage hinzu: die Fähigkeit, die kleinsten bekannten Moleküle mit beispielloser Präzision zu bildgeben und zu manipulieren.

Traditionell werden Moleküle wie Pentacen, Olympicen, Hexabenzocoronen und Cephalandol A mit 2-D-Stabmodellen dargestellt. Dank einer 2009 von IBM eingeführten Mikroskopie-Methode können Wissenschaftler weltweit diese Strukturen nun in bemerkenswertem Detail erfassen, manchmal erstmals Jahrzehnte nach ihrer theoretischen Vorschlag.

„Einzelne Moleküle bei so hoher Auflösung zu sehen, ist transformativ für Chemiker, besonders für ungewöhnliche oder hochreaktive Spezies“, sagt Prof. David Fox, University of Warwick.

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

Das IBM Team,featuring zwei ERC Grant Gewinner – Leo Gross und Gerhard Meyer – führt auch atomare Manipulation durch, enabling kontrollierte chemische Reaktionen auf einer Oberfläche.

Letztes Jahr, in Partnerschaft mit CiQUS an der University of Santiago de Compostela, triggerten und beobachteten das Team eine Bergman-Cyclisierung, während das Vorjahr sie Aryne visualisierten – kurzlebige, hochreaktive Moleküle, erstmals vor 115 Jahren vorgeschlagen – und deren Existenz bestätigten.

Heute haben IBM-Forscher und Warwick-Chemiker Triangulen (Clars Kohlenwasserstoff) synthetisiert und charakterisiert, ein Molekül, erstmals 1953 hypothetisiert, aber zuvor als zu instabil zum Isolieren erachtet.

„Wir fügten einen zusätzlichen Ring zum Olympicen-Framework hinzu, was Komplexität erhöhte, aber letztendlich ein Molekül mit faszinierenden Eigenschaften produzierte“, erklärt Anish Mistry, University of Warwick.

Erstautor Niko Pavliček, IBM, notiert, dass „wir unsere Atommanipulationstechnik aus den Aryne- und Bergman-Studien nutzten, um Triangulen zu generieren, eine zuvor unsynthetisierte, hochreaktive Spezies mit bemerkenswerten magnetischen Charakteristiken.“

Die Arbeit baut auf IBMs pionierender Kombination von Rastertunnelmikroskopie (STM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) auf, Technologien, die ehemaligen IBM-Wissenschaftlern Nobel- und Kavli-Preise in den 1980ern einbrachten.

In dieser Studie entfernte die STM-Spitze zwei Wasserstoffatome von einem Precursor-Molekül durch spannungsinduzierte Tunnel-Elektronen. Das resultierende Produkt wurde bei niedrigeren Spannungen abgebildet, um seine molekularen Orbitale zu offenbaren. Density Functional Theory Berechnungen korroborierten, dass Triangulen seine intrinsischen Eigenschaften bei Adsorption auf einer Oberfläche behält.

Das AFM, ausgestattet mit einem Kohlenmonoxid-terminierten Tip, risolvte die planare Moleküls sechs fusionierte Benzolringe, die ein symmetrisches Dreieck formen – sein erstes hochauflösendes Bild.

IBM Wissenschaftler Leo Gross co-entwickelte die AFM-Technik, genutzt um Triangulen zu bildgeben.

Gross erklärt: „Während Sigma-Radikale typischerweise mit Kupfer binden, bildet Triangulen – als Pi-Radikal mit delokalisierten ungepaarten Elektronen – solche Bindungen auf Kupfer nicht, ein überraschendes Resultat, das seine einzigartige elektronische Struktur hervorhebt.“

Ungepaarte Elektronen geben magnetische Momente auf molekularer Skala. In konventionellen Kohlenwasserstoffen heben gepaarte Elektronen Spin-Effekte auf, aber Triangulens delokalisierte Spins produzieren messbaren Magnetismus, eine Eigenschaft mit potenziellen Spintronik-Applikationen.

Pavliček envisioniert „triangulen-ähnliche Segmente inkorporiert in Graphen-Nanoribbons als vielversprechende Route zu organischen Spintronik-Devices.“ Graphen-Nanoribbons werden auch für leichte, hochfeste Komposite erforscht.

„Wir demonstrierten, dass Triangulens Magnetismus auf Xenon oder Natriumchlorid-Oberflächen persistiert“, fügt Pavliček hinzu. „Jedoch fehlt unserem aktuellen STM/AFM ein Magnetfeld, wodurch detaillierte magnetische Zustände und Exzitationen offen für weitere Studie bleiben.“

Diese Forschung ist Teil von IBMs neuem Collaborative Consortium, dem IBM Research Frontiers Institute, das Mitglieder zusammenbringt, um Durchbruchstechnologien zu entwickeln und Business Impacts zu assessen.

Funding wurde teilweise bereitgestellt durch die Europäische Kommission via Horizon 2020 PAMS und ITN QTea Projekte und ERC Grants CEMAS und AMSEL.

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