Kémiaórán szinte biztosan mindenki játszott a nagy műanyagatomokkal: a különböző színű gömbökből és összekötő pálcikákból álló formációkkal, amikből változatos molekulákat lehetett kirakni. Bár ez egy fokkal érdekesebb volt, mint rajzokat nézegetni, azért ez sem hozta annyival közelebb az emberhez az anyagok mikroszkopikus összetevőinek világát. Mennyivel egyszerűbb lett volna, ha fényképeket láthatunk a különböző molekulákról, és azokon mutogatta volna el a tanár, hogy az bizony ott egy atom, az meg közötte a kémiai kötés - pár évtizeddel ezelőtt erre még nem volt lehetőség, most viszont
bárki megnézheti, milyen egy klorofill molekula élőben.
Az IBM Research rüschlikoni központjában ugyanis a pincében, egy aprócska laboratóriumban van egy alacsony hőmérsékletű pásztázó alagútmikroszkóp, ami egyben egy atomerő-mikroszkóp is (low-temperature scanning tunneling microscope/atomic force microscope, STM/AFM), amivel tökéletes fényképeket lehet készíteni a különböző molekulákról.
Már azelőtt ott az erő, hogy hozzáérnénk valamihez
Az STM/AFM mikroszkópok úgy működnek, hogy a bevitt mintát egy nagyon éles fémtűvel közelítik meg, ez a tű tulajdonképpen a mikroszkóp "szeme" - mindösszesen 5 ångströmnyi távolságra állítják meg a mintától (egy ångström a nanométer tizedrésze). Az ilyen mikroszkópia arra épül, hogy a minta és a tű között már akkor kölcsönhatás lép fel, amikor még egymáshoz sem érnek.
"Esetünkben a tű hegyének olyan aprónak kell lennie, mint egyetlen atomnak"- mondta Katharina Kaiser, az IBM fizikusa, aki körbevezetett minket a zsúfolt laboratóriumban, és elmagyarázta, mivel dolgoztak az elmúlt néhány hónapban a kutatócsapatával. "A minta jellemzően réz- vagy ezüstkristály, részben két vékony réteg nátrium-kloriddal borítva, ennek a felületére helyezünk néhány különálló molekulát."
Az atomerő-mikroszkóppal a tű és a minta között fellépő erőket lehet mérni, amiből információkat kapunk a helyi töltéssűrűségről és a töltés eloszlásáról. Az alacsony hőmérsékletű pásztázó alagútmikroszkóppal a tű és a minta közötti alagútáram mérhető, ez a minta elektromos tulajdonságairól ad információkat. Mindkét módszer lehetővé teszi azt is, hogy a mintát, vagyis egy-egy adott molekulát konkrétan leképezzék, "lefotózzák".
Ezeket a mikroszkópokat általában két dologra használják: olyan felszíni méréseket lehet velük készíteni, mint az adott minta és a mikroszkóp hegye közötti apró erőhatások vizsgálata (ez hasonló, mint amikor hozzáérünk valamihez az ujjunkkal - az ujj és a felület között már akkor is erők lépnek kölcsönhatásba, mielőtt megtörténne a kontakt), de az IBM Research kutatóit jobban érdekli az atomszintű manipuláció, vagyis a különböző molekulák szétbontása és összerakása.
"Ezek a molekulák olyan aprók, hogy ha összehasonlítanánk a Föld méretét egy narancséval, ugyanakkora lenne a narancs és a molekula közötti arány"- mondta Kaiser. "Mi itt az egyszerű molekulák iránt érdeklődünk, itt készítettünk például először STM/AFM mikroszkóppal képet egy különálló molekuláról. Ez, amit itt látunk, nem egy illusztráció, hanem valódi adatok alapján készült fénykép."
A fotó nem túl látványos, mégis borzasztó érdekes: jól látszanak rajta ugyanis az atomok, és a köztük lévő kémiai kötések - minden, amit kémia órán csak elképzelni vagy lerajzolni tudtunk, megelevenedett a szemünk előtt. A mikroszkóp tudása ugyanakkor nemcsak érdekes, de hasznos is:
soha nem látott pontossággal vizsgálhatók vele ismeretlen anyagok,
ezért az IBM Research kutatócsapata több vállalattal és egyetemmel is együttműködik. Elemeztek már a légkörben szálló, üzemanyag égetése után keletkező szálló részecskéket, amelyekről kiderült, hogy nagyon károsak, valamint vizsgáltak a Mariana-árok mélyéről érkező molekulákat is.
A kutatócsoport képes egy kémiai reakcióról is részletes képeket készíteni, ami igazán különleges: hagyományos körülmények között ezek a reakciók nagyon gyorsan mennek végbe, ráadásul magas hőmérsékleten. A mikroszkóppal lépésről lépésre végig lehet követni, hogy mi történik a reakció közben a molekulákkal.
Olyat hoztak létre, amiről vegyészek évtizedek óta álmodnak
A legizgalmasabb áttörést viszont szeptemberben publikálták, a tanulmány pedig a Science magazin címlapjára került: legyártották a ciklokarbont, aminek szintetizálásáról a vegyészek harminc éve álmodtak.
A ciklokarbon egy olyan, csakis szénatomokból álló molekula, ami tökéletes kör alakú, mindegyik szénatomjának csak két másik szénatom a szomszédja. Kutatók már évtizedek óta tudják, hogy elméletben mesterségesen létrehozható ez a molekula, de soha nem tudták gyakorlatba is átültetni a dolgot, mivel
a ciklokarbon borzasztóan reaktív, hagyományos körülmények között azonnal felbomlik.
Csakhogy az STM/AFM mikroszkópban nem hagyományos körülmények uralkodnak. Ahhoz, hogy a molekulákat ilyen pontosan meg lehessen figyelni, teljesen ki kell zárni a környezeti nyomást, és a mikroszkóp belsejében tíz a mínusz tizennegyediken bar nyomást kell generálni. Ez a földi körülmények nagyjából tízbilliomod része, majdnem a világűrének felel meg. A mikroszkóp belsejét le is kell hűteni, hiszen nem akarjuk, hogy a molekulák mozogjanak. "Gyakorlatilag odafagyasztjuk őket a mintatálcára, -268 Celsius-fokos hideget csinálunk, ami csak 5 kelvinre van az abszolút nulla hőmérséklettől" - magyarázta Kaiser. A hűtést folyékony hélium és nitrogén intézi egy kriosztát segítségével.
A mikroszkóp mindössze akkora, mint egy emberi ököl, viszont a hűtésért és a nyomás csökkentéséért felelős rendszerek miatt elfoglalja a laboratórium felét. Mindez viszont szükséges a helyes működéshez, és ezeknek a körülményeknek köszönhető, hogy laboratóriumi körülmények végül elkészült a ciklokarbon.
Az Oxfordi Egyetem és az IBM Research együttműködésének hála sikerült találni egy olyan szénatomot, ami nagyjából megegyezett a legyártani kívánt ciklokarbonnal, azzal a különbséggel, hogy a 18 szénatom mellett szintén szénatomokból álló oldalcsoportok is kapcsolódtak hozzá. Az egyetem által kifejlesztett molekula így már olyan stabil volt, hogy por formájában, sima postai úton megérkezhetett az IBM Research svájci központjába. A mikroszkópban már csak egy egyszerű kémiai reakciót kellett elvégezni: egy félvezető lapkán addig kellett hevíteni, amíg reakcióba nem lépett, és szublimálni nem kezdett: az így keletkező karbonmolekulák mindenhol szétszóródtak a mikroszkóp belsejében, és persze jutott róluk a mintázó lapkára is, ahol kép készülhetett az első, mesterségesen legyártott ciklokarbonról.
Bár a molekulával egyelőre sok mindent nem lehet kezdeni azon túl, hogy a vegyészek szeretik nézegetni, kísérleteket végezhetők vele, többek között a kémiai kötések formálódása is próbálgatható - szétszedni a molekulákat ugyanis könnyű, összetapasztani már sokkal nehezebb. A ciklokarbonnal figyeltek már meg kötésformálódást, így ezt nagyon szépen lehet kutatni a molekulán. Egyelőre azonban az az igazi áttörés, hogy egyáltalán sikerült elkészíteni, hiszen az STM/AFM mikroszkóp nélkül erre valószínűleg esélyük sem lett volna a kutatóknak.
