분자 전하 상태 원자 분해능 이미징 달성

생물학적 시스템에서 에너지 변환과 수송은 분자의 정밀한 충전과 방전에 달려 있습니다. 포르피린(클로로필, 헤모글로빈 등)은 이 과정의 중심이며, 전하 유도 구조 변화는 유기 전자 및 광전 소자 성능도 주도합니다.

단일 CO 분자로 기능화된 저온 원자 힘 현미경(AFM) 팁으로 분자 구조를 원자 정밀도 포착.

분자가 전자를 얻거나 잃으면 기하학과 전자 구조가 변합니다. 이러한 미세한 변화를 원자 수준에서 분해함으로써 전하 상태와 기능 간 연결에 전례 없는 통찰을 얻습니다.

내 IBM 리서치 동료들이 CiQUS, 산티아고 데 콤포스텔라 대학, 엑손모빌 파트너들과 함께 Science에 최근 보고한 바에 따르면, 우리는 충전 시 개별 분자 구조 진화의 원자 분해능 이미징을 달성했습니다. 연구는 모든 포르피린의 부모 골격인 포르핀에 초점을 맞춰 각 전자 추가/제거에 따라 공액 경로가 어떻게 적응하는지 드러냈습니다.

10년간의 방법론적 혁신

10년 전 우리는 원자 정밀도로 분자 구조를 포착하는 기술을 개척했습니다(Science 325, 1110, 2009). 이후 결합 강도 직접 탐침으로 확장했습니다(Science 337, 1326, 2012). 이 발전의 열쇠는 저온 원자 힘 현미경(AFM) 팁을 단일 CO 분자로 기능화해 이미징 대비와 안정성을 선명하게 한 것입니다.

그 기반 위에서 우리는 절연 기판 위 흡착 분자 전하 상태 제어 기술로 정제해 전하 누설을 방지했습니다(Nature Comm. 6, 8353, 2015). AFM 팁과 시료 간 바이어스 적용으로 전자를 마음대로 추가하거나 제거할 수 있습니다.

작년 샤디 파타예르와 나는 이 능력들(초고분해능 CO-팁 이미징과 동적 전하 제어)을 합치는 것을 구상했습니다. 최신 출판물은 이 통합을 입증하고 생물학적·기술적으로 관련된 여러 분자에 대한 구조적 파급 효과를 탐구합니다.

주요 발견

우리는 먼저 고전적 분자 스위치 아조벤젠을 조사했습니다. 중성 상태에서 두 페닐 고리는 평평하고 평행합니다. 전자 수용 시 고리들이 서로 기울어지며 전하 유도 기하학 변화의 명확한 서명을 보입니다.

다음으로 유기 반도체 벤치마크 펜타센을 탐침했습니다. 전하를 +1에서 -2로 조작하며 결합별 변화 관찰: 특정 C-C 결합은 경직되고 다른 것들은 연화되어 전자 재분배가 기계적 반응을 지배함을 보여줍니다.

우리는 일반적인 전하 수용체 TCNQ를 조사했습니다. 중성 상태에서 표면에 직립하지만 음전하 시 평면화됩니다. 이중 음전하 상태에서 중심 고리 방향족성 증가가 직접 시각화됩니다.

마지막으로 포르핀으로 전환했습니다. 최초로 세 가지 뚜렷한 전하 상태에서 공액 경로와 방향족 특성 포착. 이 관측들은 포르피린 화학에 대한 오랜 논쟁을 명확히 하고 생물학과 재료 과학에서 기능적 행동 예측 프레임워크를 제공합니다.

우리 작업은 분자 전하 상태의 정밀 제어와 이미징이 전하가 구조와 기능을 어떻게 조절하는지 더 깊은 이해를 열음을 입증합니다. 이 지식은 생체에너지학, 유기 전자공학, 광전 기술 발전에 필수적입니다.

전하 상태 제어 분자 구조 규명, Science, Shadi Fatayer, Florian Albrecht, Yunlong Zhang, Darius Urbonas, Diego Peña, Nikolaj Moll, Leo Gross, DOI: 10.1126/science.aax5895

프로젝트는 유럽연구위원회 통합 그랜트 'AMSEL'(계약 No. 682144), Agencia Estatal de Investigación (MAT2016-78293-C6-3-R), Xunta de Galicia (갈리시아 단일 연구 센터, 인증 2016-2019, ED431G/09), 유럽지역개발기금 지원.