Na procese, ktorý otvára novú kapitolu výskumu v oblasti fotochémie, sa podieľala aj Akadémia vied Českej republiky.
Tautomerizácia molekuly ftalocyanínu je riadená lokálnym osvietením pomocou atomárne ostrého hrotu. Zdroj: AV ČR
Ovládať chemickú štruktúru látky v atomárnom meradle pomocou svetla sa zdalo doteraz nemožné. Vedci teraz vyvinuli techniku vhodnú na riadenie fotochemických reakcií na úrovni jednotlivých molekúl. Medzinárodný tím výskumníkov, na ktorého práci sa podieľal aj Tomáš Neuman z Fyzikálneho ústavu Akadémie vied ČR, publikoval novú metódu v časopise Nature Nanotechnology. Ide o proces molekulárnej dynamiky, ktorá otvára novú kapitolu výskumu v oblasti fotochémie.
Fotochémia v oblasti nanosveta
V prírode aj priemysle sa s fotochemickými reakciami stretneme bežne. Stoja napríklad za schopnosťou oka registrovať svetlo alebo za reakciami vedúcimi k spojeniu molekúl do vláken (polymérov), ktoré okrem iného nachádzajú využitie v 3D tlači. Vo všetkých týchto prípadoch však so svetlom reaguje veľké množstvo molekúl, čo komplikuje využitie fotochémie v oblasti nanosveta.
„Od zložitých pokusov alchymistov a empirických poznatkov neskorších chemikov sme sa konečne dostali k priamemu experimentálnemu zobrazeniu a riadeniu mechanizmov stojacich za množstvom chemických reakcií spúšťaných svetlom, ktoré sa vyskytujú ako v prírode, tak v chemickom priemysle,“ komentoval úspech Tomáš Neuman z Fyzikálneho ústavu AV ČR.
Práve jeho teoretické výpočty pomohli k interpretácii výsledkov tímu odborníkov Guillauma Schully z francúzskeho Centre national de la recherche scientifique (CNRS) v Štrasburgu vo výskume vedenom Annou Rosławskou, ktorá teraz pôsobí v Inštitúte Maxa Plancka v Stuttgarte.
3D ilustrácia atómu. Zdroj: iStockphoto.com
Čo sa deje medzi fotónom a jedinou molekulou?
Medzinárodný tím využil na spustenie chemickej reakcie v molekule schopnosť hrotu rastrovacieho tunelovacieho mikroskopu (STM) koncentrovať svetlo na atomárnu úroveň. Tieto špeciálne hroty fungujú podobne ako bežné televízne antény s tým rozdielom, že namiesto rádiových vĺn interagujú so svetlom, ktoré vedú na atomárne ostrú špičku.
Špička potom môže byť použitá ako svietidlo atomárnych rozmerov, teda rozmerov približne stokrát menších, než je vlnová dĺžka svetla. Vedcom sa touto technikou podarilo sústrediť svetlo do objemu porovnateľného s veľkosťou jednej molekuly a navyše pohybom hrotu nad rôznymi časťami molekuly ovplyvňovať jej chemickú stavbu.
Hrot mikroskopu svetlo zbiera aj vysiela
Medzinárodnému tímu sa podarilo pri kryogénnych teplotách touto technikou vyvolať v molekule spoločný pohyb dvoch protónov. Rýchlosť a výsledný stav javu, nazývaného tautomerizácia, navyše riadili pomocou zmien vlnovej dĺžky svetla a pohybu hrotu. Hrot mikroskopu svetlo nielen zbiera, ale aj vysiela, takže pri rastrovaní vedci získavajú z každého bodu informáciu, koľko svetla z molekuly vychádza a aké farby sú vo vyžiarenom svetle zastúpené.
Na základe týchto poznatkov potom vedci vyhodnocovali priebeh tautomerizácie. Opísaná metóda prináša detailný pohľad na interakciu svetla s molekulou ftalocyanínu, ktorý svetlo silne absorbuje a používa sa ako farbivo na plasty alebo textil.
V budúcnosti by táto metóda mohla slúžiť na vykonávanie fotochemických reakcií na úrovni molekúl, a tak treba spájať molekuly do nanoštruktúr s novými vlastnosťami, ktoré nájdu uplatnenie v optoelektronike a nanotechnológiách.
Zdroj: AV ČR
(JM)
