IBM &Warwick Image 최초의 반응성이 높은 삼각형 분자

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Triangulene은 IBM과 University of Warwick의 과학자들 덕분에 처음으로 클로즈업되었습니다.

(4월 7일, 업데이트:이 논문은 Nature Nanotechnology 4월호 표지에 실렸습니다.)

4월 2017년 12권 4호 네이처 나노테크놀로지. 이미지 크레디트 Niko Pavlicek, IBM Research. 표지 디자인:Bethany Vukomanovic

오늘 Nature Nanotechnology에 게재된 IBM 과학자들은 보이지 않는 것을 가시적으로 만들고 있습니다.

몇 주 전에 IBM은 이 주제를 기반으로 향후 5년 동안 연간 5가지 예측을 발표했습니다. 취리히에 있는 IBM 과학자들은 과학에 알려진 가장 작은 물체를 이미징하는 최신 과학적 성과와 함께 여섯 번째 예측을 추가하기 위해 좋은 주장을 펼치고 있습니다.

가명은 아니지만 펜타센, 올림피센, 헥사벤조코로넨 및 세팔란돌 A를 포함한 분자는 모두 전통적으로 2D 구조 스틱 모델을 사용하여 표현되는 미세한 분자입니다. 고등학교 화학 수업을 다시 생각해 보십시오.

그러나 2009년 IBM 과학자들이 발표한 현미경 기술 덕분에 전 세계의 물리학자, 생물학자 및 화학자들은 이제 이러한 분자를 놀랍도록 선명하고 정확하게 이미지화할 수 있습니다. 놀라운 정밀도로 연구하고 조작하십시오.

워릭 대학교(University of Warwick)의 데이비드 폭스(David Fox)는 “화학자들에게 개별 분자, 특히 특이하거나 반응성이 높은 분자를 고해상도로 볼 수 있다는 것은 놀라운 일입니다. 구조를 확인하는 가장 좋은 방법입니다.”

교수 University of Warwick의 David Fox는 2012년에 처음으로 IBM Research와 협력했습니다.

이미징 외에도 두 명의 ERC(European Research Council) 보조금 수상자인 Leo Gross와 Gerhard Meyer를 포함하는 IBM 팀은 분자를 조작하여 화학 반응을 일으켜 분자가 흡착된 전구체 분자에서 합성될 수 있도록 할 수 있습니다.

예를 들어, 거의 1년 전 산티아고 데 콤포스텔라 대학의 CiQUS와 공동으로 과학자들은 Bergman 고리화로 알려진 매혹적인 분자 재배열 반응을 촉발하고 관찰했으며, 그 이전 해에는 고도로 복잡한 아린 계열을 연구하고 시각화했습니다. 115년 전에 처음 제안된 반응성 단수명 분자 — 실제로 존재함을 증명합니다. 그리고 지금 그들은 그것을 다시 하고 있습니다.

오늘 Nature Nanotechnology에 게재된 IBM 과학자들은 University of Warwick의 화학자들과 협력하여 1953년에 처음으로 가설화된 Clar의 탄화수소라고도 알려진 triangulene이라는 까다로운 분자를 합성하고 특성화했습니다.

Warwick 대학의 Anish Mistry는 다음과 같이 말합니다. “화학자들은 항상 삼각형이 너무 불안정하여 분리할 수 없다고 생각했습니다. 이전의 올림피센 협력을 기반으로 분자에 고리를 추가하고 과학에 복잡성을 추가했지만 잠재적으로 정말 흥미로운 특성을 가진 이전에는 불가능했던 분자를 만드는 데 성공했습니다.”

이 논문의 첫 번째 저자인 IBM 연구원인 Niko Pavliček은 다음과 같이 말했습니다. 반응성이 높기 때문에 어려운 분자이지만 자기 특성 때문에 특히 흥미롭습니다.”

이전 논문에서 입증했듯이 IBM 과학자들은 1980년대에 전 IBM 과학자들이 발명하고 각각 노벨상과 카블리상을 수상한 독특한 결합형 주사 터널링 현미경(STM)과 원자간력 현미경(AFM)을 사용합니다.

그들의 최신 연구에서 결합된 STM/AFM의 날카로운 끝은 전구체 분자에서 두 개의 수소 원자를 제거하는 데 사용되었습니다. STM은 샘플 표면에 매우 가깝게 가져온 팁 사이에 전자의 양자 기계적 터널링과 그 사이에 전압을 적용하여 측정합니다. 적절하게 높은 전압에서 '터널링 전자'는 전구체 분자 내의 특정 결합의 제거를 유도할 수 있습니다. 그런 다음 제품 분자는 더 약한 전압에서 이미징할 때 분자 궤도에 의해 특성화될 수 있습니다.

밀도 기능 이론 계산과 결합된 이러한 측정은 삼각형이 표면에서 자유 분자의 특성을 유지한다는 것을 확인했습니다.

팀은 또한 단일 일산화탄소 분자로 끝나는 팁이 있는 AFM을 사용하여 대칭 삼각형에 나타나는 6개의 융합된 벤젠 고리가 있는 평면 분자를 처음으로 분해하거나 이미지화했습니다. 결과는 즐거운 놀라움을 선사했습니다.

IBM 과학자 Leo Gross는 삼각형을 이미지화하는 AFM 기술을 공동 개발했습니다.

Gross는 "라디칼은 짝을 이루지 않은 전자를 특징으로 하며 우리는 이전에 시그마-라디칼을 조사하고 있었습니다. 이들에서 짝을 이루지 않은 전자는 특정 원자에 할당되고 우리는 이것이 항상 구리와 결합을 형성한다는 것을 발견했습니다. 그러나 우리는 구리에서 삼각형에 대한 결합이 형성되지 않았다는 사실에 놀랐습니다. 우리는 삼각형이 파이라디칼(pi-radical)이기 때문이라고 생각합니다. 즉, 짝을 이루지 않은 전자가 비편재화되어 있기 때문입니다."

분자를 흥미롭게 만드는 것은 바로 이러한 짝을 이루지 않은 전자입니다. 고전 물리학에서 공간에서 움직이는 하전 입자는 각운동량을 가지며 그 주위에 자기장을 생성합니다. 양자 역학에서 모든 입자는 공간에서 움직이든 움직이지 않든 '스핀'이라고 하는 추가적인 고유 각운동량을 가지고 있습니다. 대부분의 기존 탄화수소에서 전자는 항상 쌍을 이루고 전자의 스핀 효과는 상쇄됩니다. 그러나 삼각망과 같은 분자에서는 짝을 이루지 않은 전자의 스핀이 분자 규모의 자기를 유도합니다.

저자들은 과학뿐만 아니라 이 작업에 대한 몇 가지 흥미로운 응용 프로그램이 있다고 믿습니다.

Pavliček은 "그래핀 나노리본에 통합된 삼각형 모양의 세그먼트는 유기 스핀트로닉 장치를 설계하는 우아한 방법으로 제안되었습니다."라고 설명합니다.

그래핀 나노리본은 매우 강하고 가벼운 나노복합체 재료에 응용하기 위해 연구되고 있다. 스핀트로닉스 분야는 정보 저장 및 처리를 위해 IBM을 비롯한 전 세계 그룹에서 연구하고 있습니다.

Pavliček은 계속해서 “자성은 크세논이나 염화나트륨 표면에서 살아남는다는 것을 증명할 수도 있습니다. 그러나 자기장이 없는 현미경으로는 자기장과 가능한 여기에 대한 자세한 그림을 얻을 수 없으므로 다른 그룹을 위해 탐색하고 발견할 것이 많습니다.”

이 연구 중 일부는 IBM Research Frontiers Institute라고 하는 IBM이 출범한 새로운 협업 컨소시엄에서 수행되고 있습니다. 이 프레임워크 내에서 연구소의 구성원은 획기적인 기술을 공동으로 개발 및 공유하고 비즈니스 의미를 탐색합니다.

이 연구는 또한 H2020 PAMS 및 ITN QTea 프로젝트 및 ERC 보조금 CEMAS 및 AMSEL에 따라 유럽 위원회에서 부분적으로 자금을 지원했습니다.

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