نخستین پرتره یک مولکول

مدت‌ها است که فیزیک‌دانان با استفاده از پدیده‌های فیزیک کوانتوم و میکروسکوپ‌های پیشرفته، توانسته‌اند اتم‌های منفرد را مشاهده کنند و حتی با جابجا کردن تک تک آنها، دستاوردهایی در نانوفناوری بدست آورند. شاید عجیب به‌نظر برسد، اما با وجود آن‌که اتم‌ها بسیار کوچک‌تر از مولکول‌ها هستند، پژوهشگران نتوانسته‌اند تصاویری از مولکول‌ها با همان جزئیات بدست آورند. اما اکنون پژوهشگران آی.بی.ام موفق شده‌اند نخستین تصویر از پیوندهای ظریف بین اتم‌های یک مولکول را ثبت کنند.

به گزارش نیوساینتیست، نخستین تصاویر از اتم‌های منفرد را پژوهشگران در دهه 1970 / 1350 با روش میکروسکوپ الکترون عبوری، تی.ای.ام بدست آوردند. در این روش، یک هدف (معمولا تکه‌ای فلز) با پرتویی از الکترون‌ها بمباران می‌شود. با پیشرفت این روش که به پروژه تی.ای.اِی.ام در آزمایشگاه ملی لورنس برکلی منجر شد، پژوهشگران توانستند توان تفکیک میکروسکوپ را به کمتر از نصف قطر یک اتم هیدروژن (کوچک‌ترین اتم در جهان) برسانند.

روش تی.ای.ام به راحتی می‌تواند اتم‌های موجود در یک شبکه فلزی یا لایه‌ای بسیار نازک را به تصویر بکشد، اما بمباران الکترونی، آرایش اتم‌ها را در مولکول از بین می‌برد و دیگر مولکولی نمی‌ماند که بتوان از آن عکس گرفت.

روش‌های دیگر تصویربرداری از جوینده‌های ریزمقیاسی برای کاوش در دنیای اتمی استفاده می‌کنند. در میکروسکوپ تصویربرداری تونلی، اس.تی.ام، از پدیده کوانتومی تونل زدن برای اندازه‌گیری چگالی بار مرتبط با اتم‌های منفرد استفاده می‌کند. سوزنی بسیار تیز در فاصله‌ای ثابت از سطح مورد نظر حرکت می‌کند. بر اساس پدیده کوانتومی تونل زدن، الکترون‌ها می‌توانند به احتمالی از سوزن به سطح فلزی منتقل شوند (اصطلاحا تونل بزنند) و هرچه فاصله نوک سوزن با سطح کمتر باشد، این احتمال و بالتبع شدت جریان افزایش می‌یابد.

در روش دیگر که میکروسکوپ نیروی اتمی، اِی.اف.ام نامیده می‌شود، نیروی جاذبه بین اتم‌های نوک جوینده و سطح جسم اندازه‌گیری می‌شود. در این روش که شبیه شناسایی اتاقی تاریک توسط دست است، جوینده روی اتم‌های مولکول جابجا می‌شود. این دو روش نیز هرچند تصویری خوب از سطح جسم تهیه می‌کنند، اما نمی‌توانند به جزئیات تی.ای.ام دست یابند.

دردسری به نام چسبیدن
لئو گراس و همکارانش در شعبه زوریخ شرکت آی.بی.ام، روش ای.اف.ام را به‌شکل تغییر داده‌اند که بتواند ریزترین جزئیاتی را که تاکنون به تصویر کشیده شده است، ثبت کند. دستاورد آنها، تصویری واقعی از مولکول آلی پنتاسن است که از پنج حلقه بنزن تشکیل شده است.این مولکول بسیار شکننده است، اما پژوهشگران توانسته‌اند جزئیات حلقه‌های شش‌ضلعی کربن را به تصویر بکشند و از آن جالب‌تر، موقعیت اتم‌های هیدروژن اطراف را آشکار کنند.

یکی از دستاوردهای مهم این روش، یافتن شیوه‌ای برای جلوگیری از چسبیدن نوک جوینده به مولکول شکننده پنتاسن بود. نیروهای الکترواستاتیک و وان‌دروالسی که در مقیاس مولکولی حکمرانی می‌کنند، موجب چسبیدن جوینده به پیوندهای مولکولی و شکسته شدن مولکول می‌شد؛ اما گروه توانست با متصل کردن یک مولکول مونوکسید کربن به انتهای جوینده، عملا از یک مولکول اتم نسبتا غیرفعال برای نقشه‌برداری سطح مولکول استفاده کنند.

در اینجا، اصل دیگری از مکانیک کوانتوم به کمک دانشمندان آمد تا از بروز خطاهای جدید جلوگیری کند. نیروی وان‌دروالس که نیرویی ضعیف میان‌مولکولی است، سر جوینده را به‌سوی خود می‌کشید؛ اما اصل طرد پائولی که مانع از قرار گرفتن دو الکترون نزدیک به یکدیگر در وضعیت کوانتومی یکسانی می‌شود، موجب می‌شود الکترون‌های موجود در مونوکسید کربن جوینده و اطراف پنتاسن که در یک تراز کوانتومی قرار دارند، نیروی دافعه تولید می‌کنند.

پژوهشگران با اندازه‌گیری نیروی دافعه در هر نقطه از سطح، توانستند نقشه نیروهای این مولکول را رسم کنند. کیفیت تصویر نیز به ابعاد جوینده بستگی دارد: هرچه اندازه جوینده کوچک‌تر باشد، کیفیت تصویر و توان تفکیک آن بهتر خواهد شد.

پژوهشگران آی.بی.ام امیدوارند که این شیوه تصویربرداری جدید، درب‌های دست‌یابی به رایانه‌های ابرقدرتمند آینده را باز کنند. این رایانه‌های ابرقدرتمند از تراشه‌هایی تشکیل می‌شوند که اتم‌ها و مولکول‌های آنها به دقت در جای خود قرار گرفته‌اند. از سوی دیگر، شیمیدانان امیدوارند با استفاده از این روش جدید بتوانند راز واکنش‌های شیمیایی را در مقیاس اتمی درک کنند. یکی از اولین مساله‌هایی که امید می‌رود با این شیوه جدید درک شود، فعالیت کاتالیست‌ها در واکنش‌های شیمیایی است.