Lần đầu tiên chụp ảnh sự phân bố điện tích bên trong một phân tử

Các nhà khoa học IBM lần đầu tiên đã có thể đo được điện tích phân bố như thế nào bên trong một phân tử. Thành tựu này sẽ cho phép những nghiên cứu khoa học cơ bản về sự biến đổi phân tử và sự hình thành liên kết giữa các nguyên tử và phân tử. Ngoài ra, nó còn mang lại khả năng chụp ảnh sự phân bố điện tích bên trong những cấu trúc phân tử chức năng vốn có triển vọng lớn đối với những ứng dụng tương lai như biến đổi năng lượng mặt trời, dự trữ năng lượng, hay các dụng cụ điện toán cỡ phân tử.

Công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, các nhà khoa học Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll và Gerhard Meyer thuộc Trung tâm Nghiên cứu IBM – Zurich đã chụp ảnh trực tiếp sự phân bố điện tích bên trong một phân tử naphthalocyanine sử dụng một loại kính hiển vi lực nguyên tử đặc biệt gọi là kính hiển vi khảo sát Kelvin ở nhiệt độ thấp và trong điều kiện chân không cực cao.

Trong thí nghiệm của họ, các nhà khoa học IBM đã sử dụng kính hiển vi quét chui hầm kết hợp tự tạo của họ và kính hiển vi lực nguyên tử. Trong ảnh chụp này, bạn có thể nhìn thấy đầu nhọn gắn với một thanh điều chỉnh. Thanh điều chỉnh dài vài milimet. Đầu nhọn nhỏ xíu chỉ chừng một nguyên tử hoặc phân tử tại chóp đỉnh của nó.

Trong khi kính hiển vi quét chui hầm (STM) có thể dùng để ghi ảnh quỹ đạo electron của một phân tử, và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) có thể dùng để phân giải cấu trúc phân tử của nó, nhưng cho đến nay người ta vẫn chưa thể chụp ảnh sự phân bố điện tích bên trong một phân tử.

“Công trình này chứng minh một khả năng mới quan trọng là có thể đo trực tiếp điện tích tự sắp xếp như thế nào bên trong một phân tử cá lẻ,” phát biểu của Michael Crommie, giáo sư vật lí tại trường Đại học Berkeley. “Việc tìm hiểu loại phân bố điện tích này là thiết yếu để hiểu các nguyên tử hoạt động như thế nào trong những môi trường khác nhau. Tôi hi vọng kĩ thuật này trong tương lai sẽ có tác động đặc biệt quan trọng đối với nhiều lĩnh vực giao nhau giữa vật lí, hóa học và sinh học.”

Thật vậy, kĩ thuật mới cùng với STM và AFM cung cấp thông tin bổ sung về phân tử, cho thấy những tính chất khác nhau đáng quan tâm. Kĩ thuật này khiến người ta nhớ lại những kĩ thuật chụp ảnh y khoa như tia X, MRI, hay siêu âm, những kĩ thuật mang lại thông tin bổ sung về tình trạng giải phẫu và sức khỏe của một người nào đó.

“Kĩ thuật trên mang lại một kênh thông tin nữa sẽ mở rộng kiến thức của chúng ta về vật lí học nano. Rồi người ta sẽ có thể nghiên cứu ở cấp độ một phân tử điện tích phân bố lại như thế nào khi từng liên kết hóa học hình thành giữa các nguyên tử và phân tử trên các bề mặt. Đây là cái thiết yếu khi chúng ta tìm cách xây dựng những dụng cụ cỡ nguyên tử và phân tử,” Fabian Mohn, tại IBM, giải thích.

Sơ đồ nguyên lí đo. Tại mỗi vị trí đầu nhọn, sự lệch tần số được ghi lại là một hàm của thế phân cực mẩu (những vòng màu đỏ, khung hình nhỏ). Cực đại của parabol (đường liền nét màu đen, khung hình nhỏ) mang lại tín hiệu V* cho vị trí đó. Ảnh: IBM Research – Zurich

Kĩ thuật trên có thể dùng để nghiên cứu sự chia tách điện tích và truyền tải điện tích trong cái gọi là những phức hợp truyền-điện tích. Những phức hợp này gồm hai hoặc nhiều phân tử và là đối tượng được nghiên cứu mạnh mẽ vì chúng có triển vọng lớn cho những ứng dụng như dự trữ năng lượng hoặc trong nghiên cứu quang điện.

Gerhard Meyer, một nhà khoa học tại IBM, người lãnh đạo các hoạt động nghiên cứu STM và AFM tại Trung tâm Nghiên cứu IBM – Zurich, cho biết: “Công trình hiện tại này đánh dấu một bước quan trọng trong sự nỗ lực dài hạn của chúng tôi nhằm điều khiển và khảo sát các hệ phân tử ở cấp bậc nguyên tử với kính hiển vi quét khảo sát.” Vì những đóng góp xuất sắc của ông cho lĩnh vực trên, mới đây Meyer đã nhận được Tài trợ Cao cấp của Ủy ban Nghiên cứu châu Âu. Nguồn tài trợ này ủng hộ cho “những nhà nghiên cứu rất xuất sắc làm việc tại tiền phương của nghiên cứu tri thức” ở châu Âu.

Nhìn kĩ hơn

Để đo sự phân bố điện tích trong phân tử, các nhà khoa học IBM đã sử dụng một sản phẩm con của AFM gọi là kính hiển vi lực khảo sát Kelvin (KPFM).

Ảnh chụp hiển vi lực khảo sát sự tautomer hóa của phân tử naphthalocyanine. Đây là lần đầu tiên sự phân bố điện tích trong một phân tử được phân giải. Ảnh: IBM Research – Zurich

Khi đầu nhọn quét khảo sát đặt phía trên một mẩu dẫn điện, một điện trường phát sinh do sự chênh lệch điện thế của đầu nhọn và mẩu. Với KPFM, độ lệch thế này có thể đo bằng cách thiết lập một điện áp sao cho điện trường đó bị triệt tiêu. Vì thế, KPFM không đo điện tích trong phân tử một cách trực tiếp, mà đo điện trường sinh ra bởi điện tích này. Điện trường mạnh hơn ở phía trên những khu vực phân tử tích điện, dẫn tới một tín hiệu KPFM mạnh hơn. Ngoài ra, những khu vực tích điện trái dấu nhau mang lại một độ tương phản khác nhau vì hướng của điện trường bị đảo ngược lại. Điều này dẫn tới những khu vực sáng và tối trong ảnh chụp hiển vi (hay những vùng màu đỏ và màu xanh trong ảnh màu).

Sự không đối xứng trong ảnh chụp hiển vi lực khảo sát Kelvin của sự tautomer hóa của naphthalocyanine. Ảnh: IBM Research – Zurich

Naphthalocyanine, một phân tử hữu cơ tổng hợp hình chữ thập còn được dùng trong công tắc lôgic một phân tử của IBM, là ứng cử viên lí tưởng cho nghiên cứu này. Nó có hai nguyên tử hydrogen đối diện nhau ở chính giữa của phân tử kích cỡ chỉ hai nanomet. Hai nguyên tử hydrogen đó có thể đổi qua lại giữa hai cấu hình khác nhau bằng cách thiết lập một xung điện áp. Cái gọi là sự tautomer hóa này ảnh hưởng đến sự phân bố điện tích trong phân tử, nó tự phân bố lại giữa hai chân đối nhau của phân tử khi các nguyên tử hydrogen đổi chỗ của chúng.

Sử dụng KPFM, các nhà khoa học đã chụp ảnh những sự phân bố điện tích khác nhau đối với hai trạng thái đó. Để có được độ phân giải dưới phân tử đòi hỏi phải có sự cân bằng nhiệt và cơ cao độ và độ chính xác đến mức nguyên tử cảu thiết bị trong suốt tiến tình thí nghiệm kéo dài vài ba ngày. Ngoài ra, việc bổ sung thêm một phân tử carbon monoxide tại chóp đỉnh của đầu nhọn làm tăng độ phân giải lên đáng kể. Vào năm 2009, đội nghiên cứu đã chứng minh rằng sự cải tiến này của đầu nhọn cho phép họ phân giải “giải phẫu học” – các cấu trúc hóa học – của các phân tử với AFM. Kết quả thực nghiệm hiện nay được chứng thực bởi những tính toán lí thuyết hàm mật độ của Fabian Mohn cùng với Nikolaj Moll thuộc nhóm Khoa học Tính toán tại Trung tâm Nghiên cứu IBM – Zurich.

Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Nguồn: IBM

Bài trước | Bài kế tiếp