Zahlavi

Rastrovací mikroskopy a vlastnosti nanostruktur

27. 12. 2017

Metoda, kterou vypracoval Pavel Jelínek a jeho kolegové z Fyzikálního ústavu AV ČR ve spolupráci s japonskými vědci, přináší nový pohled na popis chemických vlastností prvků. Díky ní lze pomocí nejmodernějších rastrovacích mikroskopů pozorovat nejen jednotlivé atomy na povrchu pevných látek, ale také měřit jejich schopnost přitahovat elektrony, tedy jejich elektronegativitu.

Elektronegativita mj. určuje schopnost daného atomu reagovat s okolím a vytvářet chemické vazby. Stanovení elektronegativity daného atomu v závislosti na jeho chemickém okolí otevírá podle Fyzikálního ústavu AV ČR cestu k hlubšímu pochopení podstaty chemické vazby a chemických procesů na atomární úrovni.


Vedoucí vědecký pracovník oddělení tenkých vrstev a nanostruktur ve Fyzikálním ústavu AV ČR Pavel Jelínek

Nové poznatky by mohly umožnit řízení chemických reakcí například v katalýze nebo biochemii. Příslušný článek uveřejnil pod názvem Electronegativity determination of individual surface atoms by atomic force microscopy prestižní časopis Nature Communications.

Hlavním autorem z Fyzikálního ústavu je dr. Pavel Jelínek, mezinárodně uznávaný odborník v oblasti studia fyzikálních a materiálových vlastností nanostruktur pomocí kombinace teoretických simulací a experimentálních technik, zejména právě rastrovacích mikroskopů. Jeho tým také vyvinul metodu zobrazování elektrostatického pole molekul na atomární úrovni, která otevírá nové možnosti v oblasti materiálového výzkumu, fyziky, chemie a nanotechnologie a posouvá současné možnosti zobrazení jednotlivých molekul na povrchu pevné látky pomocí mikroskopie atomárních sil a skenovací tunelovací mikroskopie.

Usilujete o hlubší poznání chemických a fyzikálních procesů v molekulárních nanostrukturách, čímž v blízké budoucnosti chcete přispět ke vzniku nanoelektronických součástek nové generace na bázi tzv. molekulární elektroniky – co tento pojem znamená?
Pojem „nanoelektronika“ je spojen s miniaturizací elektronických součástek o velikosti několika desítek nanometrů. Jedním z jejích perspektivních směrů je tzv. molekulární elektronika, která využívá jednotlivé molekuly jako stavební bloky nebo přímo aktivní prvky pro možná elektronická zařízení. Nicméně pro vhodný návrh a realizaci takových součástek na bázi molekul musíme pochopit fyzikální a chemické procesy na molekulární úrovni, které se řídí kvantovou mechanikou. Není to úplně triviální úkol vzhledem k našim limitovaným možnostem vidět jednotlivé atomy a molekuly a pohybovat jimi či studovat kvantové jevy obecně. Naším cílem je tudíž právě hlubší pochopení těchto procesů na úrovni jednotlivých molekul a atomů, což by nám mělo umožnit navrhnout a realizovat nové molekulární struktury vhodné pro molekulární elektroniku. To je možné pouze kombinací moderních experimentálních metod, jako jsou rastrovací mikroskopy pracující v ultra vysokém vakuu a při nízkých teplotách či pokročilých teoretických simulacích.

Jednou z oblastí, na které se zaměřujete, je studium rozložení náboje v jednotlivých molekulách v excitovaných stavech. Jaké poznatky chcete získat?
Vyvinuli jsme metodu, která nám umožňuje zobrazit rozložení náboje na jednotlivých molekulách na površích v základním stavu pomocí rastrovací mikroskopie. Nicméně rozložení náboje se může výrazně změnit, pokud dojde k jeho excitaci například světlem (tj. k přenosu elektronu do vyšších energetických hladin molekuly). Změna rozložení náboje v excitovaném stavu může hrát významnou roli pro pochopení vybraných chemických reakcí nebo procesu separace elektron-děrových párů v případě tzv. akceptor-donorových molekul. Takové molekuly by mohly hrát například významnou roli pro návrh nového typu solárních článků. Jedním z cílů je proto pokusit se zobrazit rozložení náboje na takovýchto molekulách v excitovaném stavu pomocí rastrovací mikroskopie.

Dalším směrem vašeho bádání jsou nové chemické reakce na povrchu pevné látky, které jsou nerealizovatelné v tradiční chemii v roztocích. Čím jsou pro vás takové reakce zajímavé a co mají umožnit?
Chemické reakce na površích jsou v poslední době velkým hitem nejen v oblasti fyziky povrchů. Jeden významný směr je vytváření kovalentně vázáných molekulárních sítí na površích. Takové molekulární sítě mohou najít uplatnění nejen v nanoelektronice, ale také v chemii a biologii. Druhým směrem je studium samotných reakcí na površích v podmínkách ultra vysokého vakua, které se liší od chemických reakcí v roztocích například kvůli dvourozměrnému prostorovému omezení právě díky přítomnosti povrchu. Tudíž v principu je možné realizovat reakce, jichž nelze dosáhnout v roztocích. Navíc jsme schopni pomocí rastrovacích mikroskopů zobrazit molekuly před a po reakci na povrchu pevné látky v nebývalém prostorovém rozlišení. To umožňuje přesně určit chemickou strukturu reaktantů a výsledných produktů jednotlivých molekul na povrchu. Například jsme ve spolupráci se skupinou Ivo Starého z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR publikovali v časopise Nature Chemistry studii popisující přenos chirality molekul během chemické reakce na povrchu kovu.

Výzkum se má také dále věnovat cíleným manipulacím jednotlivých elektronů v rámci jedné molekuly nebo molekulárních nanostruktur. Můžete upřesnit, o co jde? Může mít ovládnutí těchto postupů i praktický přínos?
V současnosti jsme schopni z molekul na površích cíleně vyjímat nebo naopak přidávat jednotlivé elektrony a pohybovat s nimi mezi jednotlivými molekulárními skupinami. To otevírá zcela nové možnosti pro ukládání energie na molekulární úrovni nebo pro nový druh kvantového počítání, tzv. koncept molekulárních kvantových celulárních automatů. Nicméně k plně funkční realizaci je ještě dlouhá cesta a výsledek není předem zaručen.

Můžete při svých výzkumech využívat stávající techniky a metody, nebo musíte zároveň vyvíjet vlastní, zcela nové?
Důležitou součástí naší vědecké práce je samozřejmě vývoj nových experimentálních a teoretických metod, které nám umožní posunout naše možnosti studia komplexních procesů na atomární úrovni. Mimo jiné postavíme nízkoteplotní rastrovací mikroskop, který bude obsahovat optickou dráhu pro sběr nebo zavedení světelného paprsku přímo pod hrot mikroskopu. To by nám mělo umožnit nový druh experimentů, například možnost ovlivňovat chování molekul světlem přímo během samotného měření. Také další vývoj teoretických metod, které vyvíjíme ve skupině, povede k hlubšímu pochopení experimentálních měření.


Budova Fyzikálního ústavu AV ČR v pražských Dejvicích

Říká se, že ve světě vědy zodpovězení jedné otázky ihned nastoluje deset dalších. Platí to i ve vašem oboru – a pokud ano, kde vidíte zatím nejdůležitější neznámé?
Určitě. Někdy se stává, že výzkum přináší více otázek než odpovědí. Důležitých otázek je celá řada, např. možnost řízení spinových stavů jednotlivých molekul, interakce světla nebo molekulárních vibrací s elektrickým proudem procházejícím molekulami, transport náboje v jednodimenzionálních molekulárních řetízcích, vytváření uspořádaných molekulárních struktur nebo polymerů a jejich replikace atd. Osobně mě vzrušuje jedna spíše filozofická otázka, na kterou nicméně asi nedostanu odpověď. Pokud bychom měli dostatečně výkonný počítač, který je schopen simulovat všechny chemické procesy v živém organismu, vytvoříme skutečně živý organismus? Respektive, je možné Vědomí popsat pouze jako konsekvenci chemických reakcí?

Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Stanislava Kyselová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR