Scheikundigen maken verdeling elektronen binnen één enkel molecuul zichtbaar

Scheikundigen van de Universiteit Utrecht en collega’s uit Tsjechië hebben voor het eerst de elektronenverdeling binnen één enkel molecuul zichtbaar weten te maken. De elektronenverdeling in een molecuul is sterk bepalend voor het verloop van chemische reacties. “In feite hebben we nu dan ook alle tools in handen om rechtstreeks individuele chemische reacties tussen twee moleculen te bekijken”, aldus de Utrechtse onderzoeksleider dr. Ingmar Swart. Vooralsnog kunnen onderzoekers het verloop van een reactie alleen indirect afleiden uit informatie over minimaal tientallen moleculen. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Nature Communications van 27 mei 2016.

Met de beste microscopen is het net mogelijk één enkel molecuul in beeld te brengen, maar inzoomen op de elektronenverdeling is onmogelijk. De Utrechtse en Tsjechische onderzoekers maakten daarom inventief gebruik van een ontdekking uit eerder onderzoek naar het in beeld brengen van een molecuul met een Atomic Force Microscope (AFM). Een AFM tast het oppervlak van het te onderzoeken molecuul af met een ‘naald’ waarvan de punt bestaat uit slechts één atoom. In het eerder onderzoek, dat werd gepubliceerd in Physics Review Letters, ontdekten ze dat de ladingsverdeling in deze atoompunt ertoe leidt dat de moleculen vervormd worden afgebeeld. In dit onderzoek laten ze zien dat deze vervormingen gebruikt kunnen worden om de ladingsverdeling in beeld te brengen.

Twee opnamen

Hiervoor maken de onderzoekers twee opnamen. Eén opname met een elektrisch ongeladen atomaire punt en één met een enigszins geladen atomaire punt. De geladen atomaire punt reageert op de elektronenverdeling in het molecuul en levert dus een ander beeld op dan de ongeladen atomaire punt. Uit het verschil tussen deze beelden kan de verdeling van de elektronische lading over het molecuul berekend worden met atomaire resolutie. De resultaten van de microscoopopnamen komen zeer goed overeen met berekeningen volgens de Density Functional Theory (DFT), de theorie die wordt gebruikt om de elektronenstructuur in grotere moleculen te berekenen.

Afbeelding:

Linksboven A-B: AFM opnamen van enkele moleculen met een neutrale naald (A) en met een positief geladen naald (B). In de groene cirkels een voorbeeld van vervorming.
Linksonder C-D: Berekende AFM opnamen met neutrale punt (C) en met positief geladen punt (D).
Rechtsboven E-F: Met behulp van het rooster kan de vervorming door de positief geladen naald berekend worden.
Rechtsonder: G: De ladingsverdeling van de elektronen in de moleculen zoals berekend uit de vervorming. H: De ladingsverdeling in de moleculen zoals berekend met DFT.

Chemische reacties voorspellen en sturen

Uiteindelijk willen de onderzoekers een chemische reactie tussen twee moleculen onder de microscoop laten plaatsvinden en bekijken. Swart: “Door heel gecontroleerd het ene molecuul naar het andere  te bewegen, kunnen we precies zien vanaf welk moment ze elkaar voelen en wat dat voor processen in gang zet. Dit zal ongetwijfeld nieuwe inzichten opleveren waarmee we chemische reacties beter kunnen voorspellen en sturen. Dat kan interessant zijn om bestaande chemische productieprocessen efficiënter en schoner te maken.”

Publicatie

‘Mapping the electrostatic force field of single molecules from high-resolution scanning probe images’
Prokop Hapala, Martin Švec, Oleksandr Stetsovych, Martin Ondráček, Pingo Mutombo, Pavel Jelínek1, Joost van der Lit*, Nadine Jacoba van der Heijden* & Ingmar Swart*
Nature Communications, 27 mei 2016, DOI: 10.1038/ncomms11560

* Verbonden aan de Universiteit Utrecht

Dit onderzoek is mede gefinancierd door een ECHO-Stip subsidie van NWO, onderdeel van het Sectorplan natuur- en scheikunde.