Pencitraan Resolusi Atom Status Muatan Molekul
Konversi dan transportasi energi dalam sistem biologis bergantung pada pengisian dan pengosongan molekul yang tepat. Porfirin—seperti klorofil dan hemoglobin—pusat dari proses-proses ini, dan perubahan struktur yang diinduksi muatan juga menggerakkan kinerja perangkat elektronik organik dan fotovoltaik.
Saat molekul gaining atau kehilangan elektron, geometri dan struktur elektroniknya berubah. Dengan menyelesaikan perubahan halus ini pada tingkat atom, kami mendapatkan wawasan yang tidak tertandingi tentang hubungan antara status muatan dan fungsi.
Rekan-rekan saya di IBM Research, bersama mitra dari CiQUS, Universidad de Santiago de Compostela, dan ExxonMobil, baru-baru ini melaporkan di Science bahwa kami telah mencapai citra resolusi atom dari evolusi struktur molekul individu saat diisi muatan. Studi ini difokuskan pada porphine, kerangka induk semua porfirin, dan mengungkapkan bagaimana jalur konjugasinya menyesuaikan dengan setiap penambahan atau pengurangan elektron.
Sekadek Inovasi Metodologis
Sepuluh tahun yang lalu kami mempionirkan teknik yang menangkap struktur molekul dengan presisi atom (Science 325, 1110, 2009). Kami kemudian memperluas metode ini untuk menyelidiki kekuatan ikatan secara langsung (Science 337, 1326, 2012). Kunci kemajuan ini adalah difungsionalkan ujung AFM suhu rendah dengan satu molekul CO, yang mempertajam kontras dan stabilitas citra.
Berdasarkan fondasi tersebut, kami menyempurnakan teknik untuk mengontrol status muatan molekul yang tersorbi pada substrat isolasi, mencegah kebocoran muatan. Dengan memberikan bias antara ujung AFM dan sampel, kami dapat menambahkan atau menghapus elektron sesuai keinginan.
Tahun lalu, Shadi Fatayer dan saya bermaksud menggabungkan kemampuan ini—citra ujung CO ultra-tinggi resolusi dengan kontrol muatan dinamis. Publikasi terbaru kami mendemonstrasikan integrasi ini dan menjelajahi dampak struktural untuk beberapa molekul yang relevan secara biologis dan teknologis.
Temuan Kunci
Kami pertama kali memeriksa azobenzene, saklar molekular klasik. Sementara netral, dua cincin fenilnya datar dan sejajar. Setelah menerima elektron, cincin tersebut miring satu sama lain, tanda jelas perubahan geometri yang diinduksi muatan.
Selanjutnya, kami menyelidiki pentacene, semikonduktor organik acuan. Dengan memanipulasi muatan dari +1 hingga –2, kami mengamati variasi ikatan demi ikatan: beberapa ikatan C–C menjadi lebih kaku sementara yang lain menjadi lebih lunak, menggambarkan bagaimana redistribusi elektron mengatur respons mekanis.
Kemudian kami menyelidiki TCNQ, penerima muatan umum. Dalam keadaan netral ia berdiri tegak pada permukaan, tetapi menjadi datar setelah diisi muatan secara negatif. Aromatisitas yang meningkat pada cincin pusat dalam keadaan dua kali negatif secara langsung divisualisasikan.
Terakhir, kami beralih ke porphine. Untuk pertama kalinya, kami menangkap jalur konjugasi dan karakter aromatiknya di tiga status muatan yang berbeda. Observasi ini mengklarifikasi perdebatan yang berlangsung lama tentang kimia porfirin dan memberikan kerangka untuk memprediksi perilaku fungsional baik dalam biologi maupun ilmu materi.
Pekerjaan kami menunjukkan bahwa kontrol dan citra yang tepat dari status muatan molekul membuka wawasan yang lebih dalam tentang bagaimana muatan memodulasi struktur dan fungsi—pengetahuan yang vital untuk memajukan bioenergetika, elektronika organik, dan teknologi fotovoltaik.
Elucidasi struktur molekular dengan kontrol status muatan, Science, Shadi Fatayer, Florian Albrecht, Yunlong Zhang, Darius Urbonas, Diego Peña, Nikolaj Moll, Leo Gross, DOI: 10.1126/science.aax5895
Proyek ini didukung oleh Hibah Konsolidasian European Research Council ‘AMSEL’ (Nomor Kontrak 682144), Agencia Estatal de Investigación (MAT2016-78293-C6-3-R), Xunta de Galicia (Centro singular de investigación de Galicia, akreditasi 2016–2019, ED431G/09), dan Dana Pengembangan Regional Eropa.
