Ученые впервые измерили силу разрыва химической связи

МОСКВА, 5 окт — РИА Новости. Американские ученые-химики, используя атомно-силовой микроскоп, смогли оценить силу разрыва донорно-акцепторной связи между атомами углерода и железа в комплексном соединении. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Ученые из Принстонского университета вместе с коллегами из Техасского университета в Остине и компании ExxonMobil провели эксперимент, в ходе которого зонд, заканчивающийся единственным атомом меди, постепенно приближали к связи железо-углерод, пока она не разорвалась. Исследователи измерили механические силы, приложенные в момент разрушения, а весь процесс разрыва связи зафиксировали на изображении, полученном с помощью атомно-силового микроскопа высокого разрешения в Центре визуализации и анализа Принстонского университета.

Речь идет о разрыве ковалентной донорно-акцепторной связи между атомом углерода, который был частью молекулы монооксида углерода, и атомом железа, входящим в состав фталоцианина железа, распространенного пигмента и химического катализатора. При взаимодействии этих двух соединений между железом и углеродом возникает ковалентная связь, основанная на общей паре электронов.

Ученые точно контролировали по мере приближения расстояние между наконечником и связанными молекулами с шагом 5 пикометров. На расстоянии 30 пикометров до молекул — это примерно соответствует одной шестой ширины атома углерода — половина молекулы фталоцианина железа стала более размытой на изображении атомно-силового микроскопа, что, по мнению авторов, однозначно указывает на момент разрыва химической связи.

"Это невероятное изображение — возможность увидеть одну небольшую молекулу на поверхности другой, связанной с ней. Это потрясающе", — приводятся в пресс-релизе Принстонского университета слова одного из авторов статьи Крейга Арнольда (Craig Arnold), профессора механической и аэрокосмической инженерии университета и директора Принстонского института науки и технологии материалов.

В своей работе авторы применили технологию, впервые разработанную в 2009 году для визуализации одиночных химических связей. Метод известен как бесконтактный атомно-силовой, так как наконечник микроскопа не контактирует напрямую с исследуемыми молекулами, а для построения изображений поверхности молекул использует замеры частоты мелкомасштабных колебаний.

Измеряя эти частотные сдвиги, исследователи также смогли вычислить силу, необходимую для разрыва связи. Стандартный медный наконечник зонда разорвал связь железо-углерод с силой притяжения 150 пиконьютон или с силой отталкивания 220 пиконьютон. Какая из двух сил будет действовать в реальных условиях, по словам исследователей, зависит от типа химических реакций.

"То, что мы смогли охарактеризовать силу этой конкретную связь как на растягивание, так и на сжатие, позволяет нам гораздо лучше понять природу этих видов связей — их силу и то, как они взаимодействуют. Это особенно важно для понимания катализа — когда у вас есть молекула на поверхности, а затем что-то взаимодействует с ней и заставляет ее распадаться на части", — объясняет Арнольд.

"Улучшение конструкции химических катализаторов имеет значение для биохимии, материаловедения и энергетических технологий, — добавляет руководитель исследования Нан Яо (Nan Yao), директор Принстонского центра визуализации и анализа. — Эксперименты также показали, как разрыв связи влияет на взаимодействие катализатора с поверхностью, на которой он адсорбируется".