さまざまな電荷状態の分子を「見る」ことでわかる事

・新しい技術は、今までにない解像度で充電したときの、個々の分子の構造変化を画像化することができます。

・芳香族性、吸着形状、結合次数の関係のわずかな変化を解決できます。

分子の充電と放電は生命の最も重要な側面の1つあり、エネルギー変換とエネルギー循環はこのプロセスに依存しています。 また、有機光起電力デバイスや有機エレクトロニクスでも重要な役割を果たします。

分子が充電または放電されると、分子の機能と構造の両方が変化します。 これらの構造変化を高解像度で画像化することで、研究者は分子の電荷と機能の不思議な関係、およびこの電荷-放電プロセスがどのようにエネルギーを変換および輸送するかを理解できます。

近年、国際的な研究者チームが、前例のない解像度で充電したときの個々の分子の構造変化を画像化できる方法を考案しました。

今までどのようにしてきたか?

研究者は、10年前の方法論を使用して、分子の構造を原子分解能で捕らえました。 これによって、原子間力顕微鏡の先端を1つの一酸化炭素分子で機能化することがわかりました。 数年前、彼らは分子の電荷状態を制御するためにこの技術をさらに改良しました。

チームはこれらの以前の研究を組み合わせて、さまざまな分子の電荷状態を分析しました。 彼らは原子間力顕微鏡の先端から分子を帯電させ、次に電荷の漏れを防ぐために塩化ナトリウムフィルム上で分子を電気的に分離しました。

最後に、電荷を制御しながら、機能的にした一酸化炭素チップを使用して、超高解像度で分子を画像化しました。

さまざまな化合物の分子構造

この研究では、研究者は、電荷状態遷移に関連するさまざまな特性と用途を持つ4つのモデル化合物を調べました。 彼らは、芳香族性、吸着形状、および結合次数の関係のわずかな変化を見つけました。

当初、彼らは、N = N二重結合によって結合された2つのフェニル環を含む化合物であるアゾベンゼンを想像していました。 電荷がない場合、分子の2つの平面は平行でした。 電子が付着すると（負の電荷が発生します）、これらの平面は相互に傾斜します。

次に、5つの線形融合ベンゼン環で構成される多環芳香族炭化水素であるペンタセンを想像しました。 彼らは、個々の結合の強さの電荷によって引き起こされる変化に焦点を合わせたかったのです。

このモデル化合物は、正、中性、負、および二重負の4つの異なる電荷状態で操作できます。 研究者は、分子内のどの結合が弱くなり、電荷を変えるとどの結合が強くなるかを解明することができました。 彼らはさまざまな充電状態でキャプチャされた写真を比較する方法を発見しました。

画像元: IBM Research

次に、その方法論をテトラシアノキノジメタンという名前の有機化合物に適用しました。 これは電子受容体としてよく使用され、電荷状態関数として結合強度と歪みを解決します。

研究者は、分子が電荷を持たないときに立ち、負または二重の負電荷を持っているときに表面に横たわることを発見しました。さらに、高解像度画像は、中心分子環の芳香族性の増加[負から二重の負電荷状態へ]を明確に写しました。

最後に、彼らは最も興味をそそる分子であるポルフィンを画像化しました。 ヘモグロビンとクロロフィルの親化合物です。 研究者は初めて、3つの異なる電荷状態でのポルフィンの芳香族性と共役経路の変化を画像化しました。

全体として、この研究は、さまざまな電荷状態に対する個々の分子の化学的構造変化を調査するための足掛かりになります。