Mencitrakan molekul dalam status muatan berbeda

Konversi energi dan transportasi energi dalam sistem kehidupan bergantung pada pengisian dan pengosongan molekul. Yang paling penting dalam aspek ini adalah keluarga porfirin, yang terdiri dari klorofil dan hemoglobin. Transisi muatan molekul-molekul ini sangat penting bagi kehidupan. Transisi muatan molekul juga memainkan aturan penting dalam perangkat elektronik dan fotovoltaik organik organik.

Ketika sebuah molekul diberi muatan, ini mengubah struktur dan fungsi molekul. Menyelesaikan perubahan struktural molekul ketika mereka bermuatan meningkatkan pemahaman kita tentang hubungan mendasar ini.

Rekan IBM Research saya dan saya, bersama dengan kolaborator dari CiQUS, di Universidade de Santiago de Compostela dan ExxonMobil, melaporkan dalam jurnal peer-review Science bahwa kami telah mampu menyelesaikan dengan resolusi yang belum pernah terjadi sebelumnya perubahan struktural molekul individu pada pengisian, termasuk porfin, senyawa induk porfirin. Pemahaman baru ini membuka beberapa misteri hubungan fungsi-muatan molekul yang berkaitan dengan bagaimana biologi mengubah dan mengangkut energi.

Sepuluh Tahun Pembuatan

Sepuluh tahun yang lalu, rekan saya dan saya mengembangkan teknik untuk menyelesaikan struktur molekul dengan resolusi atom (Ilmu 325, 1110, 2009) dan kemudian kami menunjukkan kepekaannya untuk menyelidiki kekuatan ikatan dalam molekul (Ilmu 337, 1326, 2012) . Trik kami untuk meningkatkan resolusi pencitraan adalah memfungsikan ujung mikroskop gaya atom suhu rendah dengan molekul karbon monoksida (CO) tunggal. Selama bertahun-tahun, kami mengembangkan teknik ini untuk mengontrol status muatan molekul, yang kami pakai pada isolator untuk mengecualikan kebocoran muatan (Nature Comm. 6, 8353, 2015). Dengan tegangan yang diterapkan antara ujung AFM dan sampel, kita dapat mengontrol jumlah elektron pada sebuah molekul.

Tahun lalu, rekan saya Shadi Fatayer dan saya berpikir tentang bagaimana kami dapat menggabungkan karya-karya sebelumnya. Artinya, pencitraan molekul dengan resolusi sangat tinggi menggunakan ujung CO sekaligus mengendalikan muatannya. Dalam publikasi baru kami, kami mendemonstrasikan bagaimana tujuan ini tercapai dan kami menunjukkan apa yang dapat dipelajari dengan menyelidiki status muatan beberapa molekul yang penting di area yang berbeda.

Hasil

Pertama, kami menunjukkan bahwa perubahan dalam geometri adsorpsi dapat diselesaikan dengan menyelidiki sakelar molekuler yang terkenal (azobenzena). Dua kelompok planar molekul itu sejajar ketika netral. Kami menemukan bahwa mereka miring terhadap satu sama lain ketika sebuah elektron terpasang, mengisi molekul secara negatif.

Selanjutnya, kami fokus pada perubahan yang diinduksi oleh muatan dalam kekuatan ikatan individu. Ini adalah efek kecil dan kami memilih senyawa model (pentacene) untuk melihat apakah mereka dapat diselesaikan. Kita dapat memanipulasi molekul model ini dalam empat status muatan yang berbeda, dari positif hingga negatif ganda. Kami memutuskan ikatan mana di dalam molekul yang tumbuh lebih kuat dan ikatan mana yang tumbuh lebih lemah ketika kami mengubah muatannya. Pada sistem model ini, kami mempelajari bagaimana gambar yang diambil dalam status pengisian daya yang berbeda dapat dibandingkan.

Kemudian kami menerapkan metode kami ke molekul (TCNQ), yang sering digunakan sebagai akseptor muatan dan menyelesaikan distorsi di luar bidang dan perubahan kekuatan ikatan sebagai fungsi keadaan muatan. Anehnya, molekul ini berdiri ketika netral dan berbaring di permukaan ketika negatif atau negatif ganda. Peningkatan aromatisitas cincin molekul pusat dari negatif ke muatan negatif ganda dapat diamati.

Akhirnya — dan mungkin molekul paling menarik yang kami selidiki — adalah porfin, senyawa induk klorofil dan hemoglobin. Bagaimana molekul-molekul ini mengubah jalur konjugasinya masih kontroversial dan sangat penting untuk memahami fungsinya. Untuk pertama kalinya, kami dapat memvisualisasikan perubahan jalur konjugasi dan aromatisitas porfin dalam tiga status muatan yang berbeda.

Dengan teknik baru kami, kami dapat meningkatkan pemahaman tentang bagaimana muatan mengubah struktur dan fungsi molekul, yang penting dalam banyak hal, seperti fotokonversi dan transportasi energi pada organisme hidup.