Умение работать с отдельными молекулами необходимо не только для развития молекулярной электроники (см. нашу новость ), оно также может оказаться полезным и для химии.

Нанотехнологии, возникнув как раздел технической физики, постепенно продвигаются в смежные области и, в частности, становится и инструментом химиков. В большинстве случаев для проведения химической реакции требуется разорвать какие-то уже существующие связи и переместить атом или молекулу. В любом случае для запуска цепочки желаемых превращений требуется передача некоторого количества энергии непосредственно в ту окрестность, где превращения должны происходить. Классическая химия использовала нагрев для преодоления первоначального потенциального барьера. Однако при этом вносимая энергия распределяется по многим степеням свободы системы, что крайне неэффективно. Селективное управление химическими реакциями требует других, более изощренных методов, позволяющих действовать экономнее и точнее.

Более десяти лет назад было показано, что возбуждение определенной колебательной моды сложной молекулы позволяет изменять выход химической реакции. Лазером селективно возбуждалось определенное "дыхательное" колебание молекул дейтерированной воды (HOD): либо связи O-H, либо связи O-D. В результате в присутствии атомарного водорода образовывался преимущественно либо водород H₂, либо молекула HD. Появление сканирующей туннельной микроскопии позволило перенести усилия управления химическими реакциями на уровень отдельных молекул. Было показано, что молекулы можно вращать, делить на фрагменты или удалять с поверхности. С помощью зонда туннельного микроскопа удавалось возбуждать различные колебательные моды отдельных молекул, связанных на поверхности.

В майском номере "Nature" опубликована работа, в которой сочетаются упомянутые выше подходы и в которой демонстрируется наиболее деликатное на сегодняшний день управление отдельными молекулами. Объектом "управления" в работе являлись отдельные молекулы аммиака, адсорбированные на очищенной поверхности меди. Низкотемпературный сканирующий туннельный микроскоп картографировал положения молекул на поверхности, после чего зонд устанавливали над отдельной молекулой при относительно низких напряжениях на зонде. Далее напряжение на зонде повышали до тех пор, пока не фиксировалось резкое падение туннельного тока, что означало уход молекулы из-под острия зонда. После фиксации ухода молекулы область снова сканировалась туннельным микроскопом, что позволяло определить, произошла ли десорбция молекулы с поверхности или молекула сдвинулась, оставаясь адсорбированной на поверхности. Зависимость характера события - десорбция или трансляция - от величины напряжения на зонде, при котором происходило это событие, определялась статистически, на основе анализа многих событий.

Было определено, что для аммиака NH₃ возбуждение электронами с энергий, приблизительно равной 400 мэВ, (а в случае дейтерированного материала ND₃ - электронами с энергией, приблизительно равной 300 мэВ) в 60 % случаев приводит к трансляции молекулы, а при неупругом туннелировании электронов с энергией 270 мэВ в 75 % событий молекула аммиака десорбируется с поверхности. При этом величины энергий, определенные экспериментально, удается надежно соотнести с энергиями характерных колебаний молекул. Порог 400 мэВ хорошо совпадает с известной энергией 408 мэВ дыхательной моды колебаний молекулы аммиака, при которой три атома водорода молекулы как бы расстилаются вдоль поверхности. Частота 270мэВ приблизительно соответствует двум квантам так называемой "зонтичной" моды колебаний (139 мэВ), при которой протоны синхронно колеблются вдоль нормали к поверхности (оси третьего порядка молекулы). Очевидно, что результирующее движение молекулы - десорбция или трансляция - хорошо соответствуют характеру движения - вдоль или нормально к поверхности - в колебательной моде.

Исследователи полагают, что найдена новая стратегия селективного воздействия на отдельные молекулы, благодаря которой можно будет получать вещества, до сих пор не поддававшиеся традиционным методам синтеза.

Источник информации - заметка М.Компана в бюллетене ПерсТ, выпуск 11 за 2003 г.