Các phân tử lộ diện huy hoàng trước kính hiển vi
Các nhà vật lí ở Thụy Sĩ và Hà Lan vừa thiết kế ra một dạng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) mới có khả năng tiết lộ nhân dạng của từng nguyên tử một trong một phân tử, lần đầu tiên. Kết quả này là một bước đột phát quan trọng trong lĩnh vực kính hiển vi mặt và có thể mang lại những kiến thức quan trọng về các phản ứng hóa học cũng như sự phát triển của các dụng cụ electron độc thân, theo như lời các nhà nghiên cứu.
Cấu trúc tinh tế bên trong của một phân tử pentacene được chụp ảnh với một kính hiển vi lực nguyên tử. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học thu được một độ phân giải làm hé lộ cấu trúc hóa học của một phân tử. Hình dạng lục giác của năm vòng cacbon trong phân tử pentacene được phân giải rõ ràng. Thậm chí vị trí của các nguyên tử hydro xung quanh các vòng benzen có thể suy luận ra từ bức ảnh (Ảnh: IBM Research, Zurich)
AFM – được phát minh ra cách nay chừng 20 năm – cho các nhà khoa học cái nhìn tốt nhất trong việc khảo sát các nguyên tử trên bề mặt của chất cách điện lẫn chất dẫn điện. Quá trình cơ bản là quét một đầu kim loại nhọn qua một mẫu vật để tạo ra hình ảnh dựa trên sự cân bằng của những lực nhỏ xíu giữa đầu nhọn và mẫu. Những cải tiến kĩ thuật liên tục đã cho phép các nhà nghiên cứu nhìn vào các bề mặt một cách chi tiết chưa có tiền lệ, trong đó có một đột phá hồi năm 2007 khi các nhà nghiên cứu lần đầu tiên làm chủ được việc phân giải các nguyên tử cô lập trên bề mặt của một chất.
Tập trung vào vấn đề
Tuy nhiên, để cải tiến AFM đến những độ phân giải ngày càng cao hơn, các nhà nghiên cứu cần phải di chuyển đầu nhọn của kính trong vòng 1nm của mẫu và ở cự li này, một số thách thức kĩ thuật đã phát sinh. Vấn đề chính là nguy cơ đầu nhọn bị dịch chuyển sang bên hoặc thậm chí bị hấp thu bởi mẫu do lực tương tác van der Waals – lực hút tĩnh điện yếu giữa các nguyên tử hay phân tử gần kề nhau phát sinh do các thăng giáng vị trí electron của chúng. Ngoài ra, khi đầu dò tiến gần hơn đến mẫu, thì điều còn quan trọng hơn nữa là biết chính xác kết cấu nguyên tử và dạng hình học của đầu nhọn AFM và với các đầu nhọn thông thường thì thông tin này không phải lúc nào cũng rõ ràng.
Chụp ảnh “giải phẫu” một phân tử pentacene với độ phân giải nguyên tử - ảnh 3D đã hiệu chỉnh. Bằng cách sử dụng một đầu kim loại sắc nhọn cỡ nguyên tử tận cùng với một phân tử cacbon monoxit, các nhà khoa học IBM đã có thể đi trong cự li ngắn chế độ lực cho phép họ thu được ảnh của cấu trúc nội của phân tử đó (Ảnh: IBM Research, Zurich)
Tuy nhiên, nay một đội nghiên cứu, đứng đầu là Leo Gross thuộc phòng thí nghiệm nghiên cứu IBM ở Zurich, Thụy Sĩ, đã khắc phục được những trở ngại này để phân giải từng nguyên tử và từng liên kết một trong một đơn phân tử. Gross hiểu rõ rằng nguyên tử hay phân tử ở đầu rất nhọn của AFM chi phối độ tương phản và độ phân giải của kính hiển vi. Vì lí do này, họ đã thay đầu nhọn kim loại của AFM thông thường bằng một đơn phân tử cacbon monoxit (CO), phân tử rất bền đồng thời là đối tượng chịu lực van der Waals nhỏ hơn nhiều khi tiếp cận gần với mẫu.
Để chứng minh công cụ mới của họ, các nhà nghiên cứu đưa đầu nhọn AFM của họ vào trước một hydrocacbon đã %
