El equipo utilizó un microscopio de fuerza atómica (AFM) de alta resolución que operaba en un entorno controlado en el Centro de Imágenes y Análisis de Princeton. La sonda AFM, cuya punta termina en un solo átomo de cobre, se acercó gradualmente al enlace hierro-carbono hasta que se rompió. Los investigadores midieron las fuerzas mecánicas aplicadas en el momento de la fractura, que eran visibles en la imagen captada por el microscopio. Un equipo de la Universidad de Princeton, la Universidad de Texas-Austin y ExxonMobil anunció los resultados en un artículo publicado en septiembre. Comunicaciones de la naturaleza.

El coautor Craig Arnold, profesora de ingeniería mecánica y aeroespacial Susan Dodd-Brown y directora del Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales de Princeton (PRISM), dijo.

“El hecho de que podamos discernir precisamente que vínculo, al tirar de ellos y apretarlos, nos permite comprender mucho sobre la naturaleza de este tipo de enlaces, su fuerza, cómo interactúan, y eso tiene todo tipo de efectos, especialmente para la catálisis catalítica, donde lo tiene en un superficie y luego algo interactúa con él y hace que se desintegre “, dijo Arnold.

Nan Yao, el investigador principal del estudio y director del Centro de Imágenes y Análisis de Princeton, señala que los experimentos también revelaron información sobre cómo la rotura de enlaces afecta las interacciones del catalizador con la superficie sobre la que se adsorbe. Yao, quien también es profesor de práctica e investigador senior en PRISM, agregó que optimizar el diseño de catalizadores químicos tiene relevancia para la bioquímica, la ciencia de los materiales y las tecnologías energéticas.

En los experimentos, el átomo de carbono era parte de una molécula de monóxido de carbono y el átomo de hierro era ftalocianina de hierro, un pigmento común y un catalizador químico. La ftalocianina de hierro se forma como una cruz simétrica, con un átomo de hierro en el centro de un complejo de anillos conectados al nitrógeno y al carbono. El átomo de hierro reacciona con el monóxido de carbono, y el hierro y el carbono comparten un par de electrones en un tipo de enlace covalente conocido como enlace dativo.

Yao y sus colegas utilizaron la punta de la sonda a escala atómica del AFM para romper el enlace hierro-carbono controlando con precisión la distancia entre la punta y las moléculas unidas, hasta incrementos de 5 picómetros (5 mil millonésimas de milímetro). La fractura ocurrió cuando la punta era 30 micrómetros más alta que las moléculas, una distancia que corresponde a aproximadamente un sexto del ancho de un átomo de carbono. A esta altura, la mitad de la molécula de ftalocianina de hierro se volvió borrosa en la imagen AFM, lo que indica el punto de ruptura del enlace químico.

Los investigadores utilizaron un tipo de AFM conocido como sin contacto, en el que la punta del microscopio no hace contacto directo con las moléculas que se están estudiando, sino que utiliza cambios en la frecuencia de micro-vibraciones para crear una imagen de las moléculas. superficie.

Al medir estos cambios de frecuencia, los investigadores también pudieron calcular la fuerza necesaria para romper el enlace. La punta de una sonda de cobre estándar rompió el enlace hierro-carbono con una fuerza de atracción de 150 PKN. Con otra molécula de monóxido de carbono unida a la punta, el enlace se rompió con una fuerza repulsiva de 220 pC. Para profundizar en la base de estas diferencias, el equipo utilizó métodos de simulación cuántica para modelar los cambios en la densidad de electrones durante interacción química.

El trabajo aprovecha una técnica de AFM desarrollada por primera vez en 2009 para visualizar enlaces químicos individuales. El agrietamiento controlado del enlace químico utilizando el sistema AFM fue más desafiante que estudios similares sobre la formación de enlaces.

Leo Gross, quien dirige el grupo de investigación de manipulación de átomos y moléculas en IBM Research en Zúrich y fue el autor principal de 2009 estudio quien primero resolvió la estructura química de la molécula por AFM.

Al romper un enlace específico con diferentes puntas que utilizan dos mecanismos diferentes, el nuevo estudio contribuye a “mejorar nuestra comprensión y control de la escisión del enlace mediante la manipulación del átomo. Se suma a nuestra caja de herramientas de química al manipular el átomo y representa un paso adelante hacia la diseñar la fabricación de moléculas cada vez más complejas ”, añadió Gross, que no participó en el estudio.

Los experimentos son muy sensibles a las vibraciones externas y otros factores de confusión. El instrumento AFM especializado está ubicado en el Centro de Imágenes y Análisis en un entorno de alto vacío, y el material se enfría a una temperatura de 4 K, unos pocos grados por encima del cero absoluto, utilizando helio líquido. Estas condiciones controladas brindan mediciones precisas al garantizar que moléculasLos estados e interacciones energéticos se ven afectados únicamente por la manipulación experimental.

“Necesita un sistema muy limpio y bueno porque esta reacción puede ser muy compleja, con mucha átomos “Probablemente no sepa qué enlace romper en esta pequeña escala”, dijo Yao, y agregó: “El diseño de este sistema simplifica todo el proceso y aclara lo desconocido” en la rotura de enlaces químicos.

Los autores principales del estudio son Pengcheng Chen, investigador asociado de PRISM, y Dingxin Fan, PhD. Estudiante de la Universidad de Texas – Austin. Además de Yao, otros autores correspondientes fueron Yun Long Zhang de ExxonMobil Research and Engineering en Annandale, Nueva Jersey, y James R. Chilekowski, profesor de la Universidad de Austin. Además de Arnold, otros autores de Princeton fueron Annabella Siloni, profesora de química en David B. Jones y Emily Carter, profesora Gerhard R. Andlinger 52 de Energía y Medio Ambiente. Otros coautores de ExxonMobil son David Dankworth y Stephen Rucker.