Pierwsze w historii zdjęcie wiązań wodorowych

Fotografie pojedynczych cząsteczek i atomów nie są już dzisiaj niczym niezwykłym. Teraz jednak "obiektyw" niemieckiego mikroskopu po raz pierwszy uchwycił na zdjęciach słabe wiązania chemiczne, zwane wodorowymi. Co ciekawe, odkrywcy nie bardzo rozumieją, jak im się to udało...

Słówko "obiektyw" zostało w pierwszym akapicie zamknięte w cudzysłów, ponieważ skaningowy mikroskop tunelowy (Scanning Tunneling Microscope - STM), którym rutynowo fotografuje się płaskie powierzchnie w skali atomowej, w ogóle nie posiada tego elementu optycznego.

"Patrzenie" przez ten mikroskop polega na przesuwaniu tuż nad powierzchnią próbki specjalnej igły o ultraostrym szpicu - na jego końcu znajduje się pojedynczy atom. Między tym atomem a atomami próbki dochodzi do czysto kwantowego "przeskakiwania" elektronów, fachowo nazywanego tunelowaniem. Elektrony tunelują tym łatwiej, im mniejszy dystans mają do przebycia, toteż mierząc intensywność tego zjawiska, oprogramowanie mikroskopu ustala szczegółową elektronową "topografię" próbki.

Badacze z Jülich Research Centre w Niemczech przed dwoma laty zauważyli, że zdjęcia z STM wychodzą ostrzejsze, gdy pod szpic igły wtłoczy się zimny wodór. Jednak ku ich zaskoczeniu przyniosło to dodatkowy, niespodziewany efekt. Oto na wykonanych przez nich ostatnio fotografiach substancji organicznej o nazwie PTCDA zobaczyli nie tylko jej molekuły, ale również delikatną sieć wiązań wodorowych między nimi.

Na zamieszczonych powyżej zdjęciach szare bryły to cząsteczki PTCDA. Łączące je zielone pasy przebiegają dokładnie tak, jak rozmieszczone powinny być wiązania wodorowe. Na zdjęciu po prawej naniesiono je schematycznie, a także narysowano strukturę samych cząsteczek.

Uczeni przyznają, że nie mają póki co pojęcia, w jaki sposób ich technika uczula mikroskop na obecność wiązań wodorowych. Bez względu jednak na fizyczny mechanizm, jaki się za tym kryje, ich odkrycie będzie mieć duże znaczenie dla nanotechnologii.

[cytat autor="Peter Sloan, brytyjski fizyk"]Możliwość widzenia wiązań wodorowych między cząsteczkami [...] pozwoli na projektowanie oraz konstruowanie lepszych i bardziej złożonych samoorganizujących się nanostruktur.

Wiązania wodorowe (obrazowo nazywane też mostkami protonowymi) mają swoje źródło w elektrostatycznym przyciąganiu między atomem wodoru a wolnymi elektronami innego atomu czy molekuły. Mają kluczowe znaczenie w biochemii. Odpowiadają m.in. za charakterystyczne skręcenie łańcuchów DNA oraz skomplikowaną, pozwijaną strukturę białek.

Źródło: New Scientist