IBM &Warwick Gambar Molekul Segitiga yang Sangat Reaktif untuk Pertama Kalinya
Triangulene mendapatkan close up pertamanya berkat ilmuwan dari IBM dan University of Warwick
(7 April, PEMBARUAN:makalah ini ditampilkan di sampul Nature Nanotechnology edisi April).
April 2017 Volume 12 No 4 Nanoteknologi Alam. Kredit gambar Niko Pavlicek, IBM Research. Desain sampul:Bethany Vukomanovic
Diterbitkan hari ini di Nature Nanotechnology, para ilmuwan IBM benar-benar membuat yang tidak terlihat menjadi terlihat
Beberapa minggu yang lalu IBM merilis lima prediksi tahunan untuk lima tahun ke depan berdasarkan tema ini. Ilmuwan IBM di Zurich membuat argumen yang bagus untuk menambahkan prediksi keenam dengan pencapaian ilmiah terbaru mereka – mencitrakan beberapa objek terkecil yang diketahui sains.
Meskipun bukan nama rumah tangga, molekul termasuk pentacene, olympicene, hexabenzocoronene, dan cephalandol A adalah semua molekul mikroskopis yang secara tradisional diwakili menggunakan model tongkat struktural 2D – pikirkan kembali kelas kimia sekolah menengah Anda.
Namun berkat teknik mikroskop yang diterbitkan oleh para ilmuwan IBM pada tahun 2009, fisikawan, ahli biologi, dan ahli kimia di seluruh dunia sekarang dapat menggambarkan molekul-molekul ini dengan kejelasan dan presisi yang luar biasa, dalam beberapa kasus untuk pertama kalinya, beberapa dekade setelah mereka pertama kali diteorikan yang memungkinkan mereka untuk pelajari dan manipulasi dengan presisi luar biasa.
David Fox, University of Warwick, menjelaskan “Bagi ahli kimia, sungguh menakjubkan dapat melihat molekul individu dalam resolusi tinggi, terutama yang tidak biasa atau sangat reaktif. Ini adalah cara terbaik untuk mengkonfirmasi struktur mereka.”
Prof. David Fox, University of Warwick, pertama kali berkolaborasi dengan IBM Research pada tahun 2012.
Selain pencitraan, tim IBM, yang mencakup dua pemenang hibah European Research Council (ERC), Leo Gross dan Gerhard Meyer, juga mampu memanipulasi molekul untuk menyebabkan reaksi kimia sehingga molekul dapat disintesis dari molekul prekursor yang teradsorpsi.
Sebagai contoh, hampir satu tahun yang lalu bekerja sama dengan CiQUS di Universitas Santiago de Compostela, para ilmuwan memicu dan mengamati reaksi penataan ulang molekul yang menarik yang dikenal sebagai siklisasi Bergman dan tahun sebelumnya mereka mempelajari dan memvisualisasikan arynes, sebuah keluarga yang sangat- molekul reaktif berumur pendek yang pertama kali disarankan 115 tahun yang lalu - membuktikan bahwa mereka memang ada. Dan sekarang, mereka melakukannya lagi.
Muncul hari ini di Nature Nanotechnology, ilmuwan IBM bekerja sama dengan ahli kimia di University of Warwick telah mensintesis dan mengkarakterisasi molekul rumit yang disebut triangulene, juga dikenal sebagai hidrokarbon Clar, yang pertama kali dihipotesiskan pada tahun 1953.
Anish Mistry, University of Warwick melanjutkan, “Ahli kimia selalu berpikir bahwa segitiga terlalu tidak stabil untuk diisolasi. Membangun kolaborasi olimpiade kami sebelumnya, kami telah menambahkan cincin ekstra ke molekul, dan tingkat kerumitan ekstra pada sains, tetapi telah berhasil membuat molekul yang sebelumnya tidak mungkin dengan sifat yang berpotensi sangat menarik.”
Penulis pertama makalah ini, peneliti IBM, Niko Pavliček berkomentar, “Dalam karya ini, kami menggunakan teknik manipulasi atom dari makalah aryne dan Bergman untuk menghasilkan segitiga, yang belum pernah disintesis sebelumnya. Ini adalah molekul yang menantang karena sangat reaktif, tetapi juga sangat menarik karena sifat magnetiknya.”
Seperti yang telah mereka tunjukkan dalam makalah sebelumnya, para ilmuwan IBM menggunakan gabungan unik scanning tunneling microscope (STM) dan mikroskop gaya atom (AFM), keduanya ditemukan oleh mantan ilmuwan IBM pada 1980-an dan masing-masing diakui dengan Hadiah Nobel dan Kavli.
Dalam penelitian terbaru mereka, ujung tajam dari gabungan STM/AFM digunakan untuk menghilangkan dua atom hidrogen dari molekul prekursor. STM melakukan pengukurannya dengan penerowongan elektron mekanik kuantum antara ujung yang dibawa sangat dekat ke permukaan sampel dan menerapkan tegangan di antara mereka. Pada tegangan tinggi yang tepat, 'elektron tunneling' dapat menginduksi penghapusan ikatan spesifik dalam molekul prekursor. Molekul produk kemudian dapat dicirikan oleh orbital molekulnya saat pencitraan pada voltase yang lebih ringan.
Pengukuran ini, dikombinasikan dengan perhitungan teori fungsi kerapatan, menegaskan bahwa segitiga mempertahankan sifat molekul bebasnya di permukaan.
Tim juga menggunakan AFM, dengan ujung yang diakhiri dengan satu molekul karbon monoksida, untuk memecahkan atau menggambarkan molekul planar dengan enam cincin benzena yang menyatu, yang muncul dalam segitiga simetris, untuk pertama kalinya. Hasilnya menghasilkan beberapa kejutan yang menyenangkan.
Ilmuwan IBM Leo Gross mengembangkan teknik AFM untuk menggambar segitiga.
Gross menjelaskan, “Radikal menampilkan elektron yang tidak berpasangan, dan kami sebelumnya sedang menyelidiki radikal sigma. Dalam hal ini, elektron yang tidak berpasangan ditempatkan pada atom tertentu dan kami menemukan bahwa ini selalu membentuk ikatan dengan tembaga. Tapi kami terkejut bahwa tidak ada ikatan yang terbentuk untuk segitiga pada tembaga. Kami pikir itu karena triangulene adalah pi-radikal, yang berarti elektron yang tidak berpasangan terdelokalisasi.”
Elektron yang tidak berpasangan inilah yang membuat molekul menjadi menarik. Dalam fisika klasik, partikel bermuatan yang bergerak di ruang angkasa memiliki momentum sudut dan menghasilkan medan magnet di sekitarnya. Dalam mekanika kuantum, setiap partikel – bergerak dalam ruang atau tidak – memiliki momentum sudut intrinsik tambahan, yang disebut 'putaran' mereka. Dalam kebanyakan hidrokarbon konvensional, elektron selalu berpasangan dan efek putarannya dibatalkan. Tetapi dalam molekul seperti segitiga, putaran elektron yang tidak berpasangan menyebabkan magnetisme pada skala molekul.
Penulis percaya bahwa selain sains, ada juga beberapa aplikasi menarik untuk karya ini.
Pavliček menjelaskan, “Segmen mirip segitiga yang digabungkan ke dalam nanoribbon graphene telah disarankan sebagai cara elegan untuk mendesain perangkat spintronic organik.”
Nanoribbons graphene sedang diteliti untuk aplikasi dalam bahan nanokomposit, yang sangat kuat dan ringan. Bidang spintronics sedang dipelajari oleh kelompok-kelompok di seluruh dunia, termasuk di IBM, untuk penyimpanan dan pemrosesan informasi.
Pavliček melanjutkan, “Kami juga dapat menunjukkan bahwa magnetnya bertahan pada permukaan xenon atau natrium klorida. Namun, kami tidak dapat memperoleh gambaran mendetail tentang keadaan magnetiknya dan kemungkinan eksitasinya dengan mikroskop kami (yang tidak memiliki medan magnet), jadi ada banyak hal yang dapat dieksplorasi dan ditemukan untuk kelompok lain.”
Beberapa penelitian ini sedang dilakukan di bawah konsorsium kolaboratif baru yang diluncurkan IBM yang disebut IBM Research Frontiers Institute. Dalam kerangka kerja ini, anggota Institut bersama-sama mengembangkan dan berbagi teknologi inovatif dan mengeksplorasi implikasi bisnis mereka.
Penelitian ini juga sebagian didanai oleh Komisi Eropa di bawah proyek H2020 PAMS dan ITN QTea serta hibah ERC CEMAS dan AMSEL.
