提案された方法を使用して得られた銅基板上のフラーレン分子の画像。右上隅には、走査針の先端の原子構造の概略図があります。
化学者は、原子間力顕微鏡を使用して有機分子の化学構造を測定する精度を高め、100分の1ナノメートルにしました。これは、顕微鏡の走査銅針の先端に単一の酸素原子を取り付けることによって達成されました。そのようなプローブの助けを借りて、有機化合物の化学結合の長さを決定するだけでなく、個々の分子間に生じる力を測定することも可能であることが判明しました、科学者は記事NatureNanotecnologyに書いています。
顕微鏡法を用いた有機分子の化学構造の定量的研究は容易な作業ではありません。今日のこのための最も効果的なツールの1つは、原子間力顕微鏡法です。これにより、分子の内部化学構造を研究できるだけでなく、複雑な化学システムで発生する力を測定することもできます。このために、顕微鏡では特別なプローブが使用されます。針は、調査対象の表面に沿って移動し、調査対象の物質がそれに作用する力を測定します。通常、この針は金属でできており、側面の相互作用や起こりうる化学反応が測定に干渉しないように、追加の不活性分子（通常はキセノンまたは一酸化炭素）を先端に取り付ける必要があります。しかし、不活性分子と金属の間の結合が弱いため、この方法でも十分に正確な測定ができず、エラーが発生します。
ミュンスター大学のHarryMönigが率いる化学者のグループは、先端に単一の酸素原子が付いている銅の針を使用して、有機化合物の化学構造を研究することを提案しました。キセノンや一酸化炭素分子とは異なり、酸素原子は強力な共有結合によって針の残りの部分に結合し、同時に銅と試験物質の間で起こりうる化学的相互作用を抑制することができます。
このようなプローブを使用して、化学者はさまざまな金属基板上に堆積したいくつかの有機化合物の構造、特にC60フラーレン、ビスパラピリジルアセチレン、ペリレンテトラカルボン酸無水物の構造を研究しました。科学者たちは、彼らが使用したプローブにより、メソッドの分解能を大幅に向上させることができたと述べています。たとえば、フラーレン分子の炭素-炭素結合の長さは、0.012ナノメートルの精度で測定されました。同時に、密度汎関数理論法を使用した数値計算により、これらの測定には、前世代のプローブを使用した同様の測定に固有の系統的誤差がないことが確認されました。
さらに、金属基板上に堆積した芳香族分子の単分子層を研究することにより、研究の著者は、個々の分子間に作用する力を測定し、また、たとえば、2つの間の相互作用中に発生する可能性のある三中心結合の構造を研究しました窒素原子と金原子。
銀基板上に堆積したペリレンテトラカルボン酸無水物分子の単分子層の画像。画像は、新しいタイプのプローブを備えた原子間力顕微鏡を使用して取得されました。右側は、分子の化学構造と出現する分子間結合の図です。
研究者たちは、原子間力顕微鏡の提案された構成が、近い将来、新しいナノ構造材料の開発に役立つだろうと述べています。このアプローチにより、有機材料の化学構造のさまざまな側面の包括的な分析を実行できるため、分子内の化学結合、分子と基板との相互作用、多分子システムでの秩序化の原理などが可能になります。同時に、系統的なエラーを回避すると同時に、他の目的にも使用できます。たとえば、基板材料の関与によって発生する不均一な化学反応のメカニズムを研究する場合などです。
原子間力顕微鏡は、個々の原子間または結晶構造内の力を正確に測定するために使用できる唯一の技術ではありません。たとえば、オーストラリアの物理学者は最近、レーザートラップ内の原子の変位を決定することに基づいて、個々の原子とイオンに作用する力を測定する方法を開発しました。この方法の精度は、数百分の1アトニュートンでした。別の科学者グループは、材料を伸ばす超精密デバイスを使用して、層状結晶の個々の層間のファンデルワールス力を測定しました。
