Voor het eerst zijn verschijnselen in het binnenste van moleculen blootgelegd. Wetenschappers hebben in beeld gebracht hoe moleculen van vorm veranderen wanneer ze een elektrische lading krijgen.
IBM-onderzoekers Shadi Fatayer en Leo Gross bestudeerden vier soorten moleculen. Dat deden ze met een atoomkrachtmicroscoop: een apparaat dat een piepkleine sonde door een molecuul stuurt. Zo bouwt het een extreem gedetailleerd beeld op van de atomen en atomaire bindingen die het molecuul bevat.
De onderzoekers maakten de moleculen elektrisch geladen door een klein stroompje te laten lopen door de sonde en het oppervlak waarop het molecuul rustte. Zo zorgden ze ervoor dat de sonde elektronen stuk voor stuk aan het molecuul overdroeg. Het hele experiment vond plaats in een extreem koude vacuümkamer. Op die manier konden de onderzoekers er zeker van zijn dat het molecuul niet bewoog of door externe krachten werd verstoord.
‘Wanneer we een los elektron toevoegen of weghalen, zien we hoe dat de structuur van het molecuul verandert’, zegt Gross. ‘We wisten wel dat die structuur verandert, maar niet hoe die precies verandert. Dat was moeilijk vast te stellen.’
Tetracyanochinodimethaan
De vier soorten moleculen gedroegen zich alle vier anders wanneer ze een lading kregen. Bij azobenzeen, een verbinding die vaak wordt gebruikt in moleculaire machines, raakte het hele molecuul verdraaid. Bij pentaceen (hieronder met bewerkte kleuren afgebeeld) maakten de extra elektronen sommige delen van het molecuul reactiever.
Bij tetracyanochinodimethaan werden de atomen met andere soorten bindingen bijeengehouden. Ook verplaatste het molecuul zich over het oppervlak waarop het was geplaatst. Bij porfine veranderde de lengte van de bindingen, evenals de soorten bindingen.
‘Porfine is gerelateerd aan chlorofyl en hemoglobine. Daarom is het in de biologie heel belangrijk’, zegt Gross. ‘Moleculen van dit type raken geladen wanneer hemoglobine zuurstof in je lichaam vervoert en wanneer chlorofyl licht in energie omzet.’
Verbeteren
Een beter begrip van deze moleculaire effecten helpt ons volgens de onderzoekers de moleculen effectiever te gebruiken. ‘Hiermee kunnen we onze materialen verbeteren, onze apparaten verbeteren en ons begrip van de natuur verbeteren’, zegt Fatayer.
De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Science.