Физики получили изображение органического слоя на поверхности наночастицы с атомарным разрешением

Физики получили изображение поверхности наночастицы, состоящей из 374 атомов серебра и покрытой слоем органических лигандов, с атомарным разрешением. Для этого была использована сканирующая туннельная микроскопия, совмещенная с численным моделированием наночастиц. В будущем подобный подход можно использовать для управления поверхностными свойствами гибридных органо-неорганических наночастиц, пишут ученые в Nature Communications.

Современные микроскопические методы, в частности атомно-силовая, сканирующая туннельная или просвечивающая электронная микроскопия позволяют получать изображения поверхности кристаллов и даже отдельных молекул с атомарным разрешением. Например, с помощью атомно-силового микроскопа ученым удается получать изображения отдельных атомов металлов, адсорбированных на твердую поверхность и изображения органических молекул, в том числе и при комнатной температуре. От методов сканирующей микроскопии не отстает и просвечивающая электронная микроскопия: совсем недавно разрешение этого метода удалось довести до 0,04 нанометра.

Тем не менее, диапазон объектов, которые удается исследовать с помощью таких методов, пока ограничен. Как правило, таким образом удается исследовать структуры с одномерной или двумерной геометрией: поверхности кристаллов, адсорбированные на них атомы, очень небольшие кластеры или плоские молекулы, двумерные кристаллы. Изучать же таким образом трехмерные объекты с атомарным разрешением значительно сложнее. Во-первых, сканировать иголкой (у которой только кончик имеет толщину в один атом) объемные объекты затруднительно из-за пространственных ограничений. Во-вторых, точный состав поверхности исследуемых наночастиц и расположение на них атомов часто неизвестны и быстро меняются: как правило для повышения устойчивости частиц их поверхность покрывают подвижными органическими лигандами, и сканировать такую гибридную частицу намного сложнее, чем кристаллическую структуру.

Физики из Китая и Финляндии под руководством Наньфэна Чжэна (Nanfeng Zheng) из Сямэньского университета предложили метод, который позволяет с помощью сканирующей туннельной микроскопии получать изображение поверхности такого гибридного нанокластера с атомарным разрешением. Исследованные авторами наночастицы состояли из 374 атомов серебра, а их поверхность для стабилизации была покрыта 113 молекулами трет-бутилтиофенола. Размер одной такой частицы составлял около 5 нанометров (3 нанометра — размер металлического ядра и еще 1 нанометр — толщина органического слоя).

Структура этого кластера интересна тем, что имеет выраженные плазмонные свойства с максимумом поглощения в районе 465 нанометров и может использоваться в качестве модели более крупных частиц. Полученные с помощью туннельной микросокпии изображения ученые сравнили с изображением слоя органических молекул того же состава (трет-бутилтиофенол), адсорбированных на плоскую золотую подложку. Таким образом ученым удалось показать, что полученная структура минимумов и максимумов на изображении объемной частицы действительно соответствует отдельным торчащим наружу метильным группам.
На основе этих данных, а также расчетов, сделанных с помощью метода теории функционала плотности, авторы работы разработали численный подход, который позволяет на полученном с помощью микроскопии изображении определять точное положение каждой метильной группы и таким образом восстанавливать полную картину поверхности.

Изображение поверхности кластера, полученное с помощью сканирующей туннельной микроскопии, с отмеченными на нем позициями лигандов

Изображения были получены при трех различных температурах: температуре жидкого гелия (−269 градусов Цельсия), температуре жидкого азота (−196 градусов Цельсия) и комнатной температуре. Оказалось, что если при комнатной температуре точность метода резко падает, то между температурами жидких гелия и азота наблюдается лишь небольшая разница, и определить положения лигандов в обоих случаях можно.
Ученые отмечают, что для анализа им пришлось использовать почти две тысячи изображений смоделированной частицы различной ориентации. Связано это с тем, что лиганды на поверхности частицы могут вращаться относительно двух одинарных связей углерод-углерод, при этом энергетические барьеры для переходов между возможными конформациями довольно низкие (от 40 до 80 миллиэлектронвольт), и вращение быстро усиливается при увеличении температуры. Однако в результате сравнения реальных изображений и данных численной модели ученым удалось получить картину поверхности с разрешением около 0,1 нанометра.

Ученые отмечают, что разработанный ими метод поможет более точно контролировать состав, морфологию поверхности и функциональные свойства синтезируемых гибридных плазмонных наночастиц. В будущем с помощью этого метода физики также планируют измерять и другие свойства органического слоя на поверхности металлических частиц, в частности, проводимость, реакционную способность и взаимодействие между лигандами.

Стоит отметить, что сканирующий туннельный микроскоп используется не только для исследования структуры поверхностей и отдельных молекул (часто — довольно необычных), но и непосредственно для синтеза новых соединений.

Читайте также

Новости партнеров

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.