Nustatyti medžiagų molekulinę struktūrą – ar tai būtų saulės elementai, organiniai šviesos diodai, tranzistoriai arba medicininiu požiūriu svarbūs baltymai – toli gražu nėra lengvas pasivaikščiojimas.
Tam, kad būtų galima suprasti, kaip medžiagos funkcionuoja mikroskopiniu lygmeniu ir kaip jas patobulinti, būtina ne tik žinoti jų sandarą, bet ir turėti informacijos apie molekulinę kompoziciją bei mikroskopinius defektus.
Visai neseniai tyrėjų komanda iš Nacionalinės Lorenco Berklio laboratorijos (JAV) organiniams puslaidininkiams, dėl savo savybių ypač vertinamiems elektronikoje, pritaikė infraraudonojo vaizdo sukūrimo metodą, taip atskleisdami svarbių detalių apie pastarųjų kristalinio pavidalo ir orientacijos prigimtį bei defektus, kurie turi didelį įtaką našumui.
Tam, kad tai pasiektų, minėtosios laboratorijos mokslininkai kartu su kolegomis iš Kolorado universiteto Boulderyje (JAV) tyrimams panaudojo dviejų šaltinių – sinchrotrono bei lazerio – infraraudonąją spinduliuotę ir atominės jėgos mikroskopą. Sinchrotronas yra įrenginys, kuriame šviesa – nuo infraraudonosios iki rentgeno spindulių – išgaunama įgreitinant elektronų pluoštus iki šviesai artimo greičio.
Mokslininkai sufokusavo abudu infraraudonosios spinduliuotės šaltinius į atominės jėgos mikroskopo adatėlę, kurios veikimo principas primena analogišką patefone – ši juda medžiagos paviršiumi ir fiksuoja menkiausius iškilimus ir įdubimus.
Naujasis metodas, aprašytas paskutiniajame žurnalo „Science Advances“ numeryje, leidžia tyrėjams nukreipti infraraudonąją spinduliuotę į konkrečius cheminius ryšius bandinyje, atskleisti kristalinius ypatumus bei nanomasteliu nagrinėti cheminę bandinio terpę.
„Mūsų metodas gali būti plačiai taikomas, – teigia laboratorijos mokslininkas Hansas Bechtelis (Hans Bechtel). – Jis tinkamas daugeliui medžiagų. Vienintelis apribojimas yra tai, kad medžiagos paviršius turi būti gan plokščias, leidžiantis atominės jėgos mikroskopo adatėlei judėti visais iškilimais ir įdubimais.“
„Jeigu pavyktų išsiaiškinti organinių medžiagų molekulinę kompoziciją ir orientaciją, tuomet jų savybes būtų galima optimizuoti kur kas paprasčiau, – kolegai antrina universiteto profesorius Markusas Raškė (Markus Raschke). – Mūsų darbas svarbus kuriant medžiagas. Naujojo metodo jautrumas yra padidėjęs nuo ankstesnio kelių milijonų iki dabartinio vos kelių šimtų molekulių, o atvaizdavimo skyra išaugusi nuo mikroninio (milijoninės metro dalys) iki nanometrinio mastelio (milijardinės metro dalys).“
Plataus spektro infraraudonoji spinduliuotė, kurią sugeneravo sinchrotronas, tuo pačiu metu yra jautri daugybei skirtingų cheminių ryšių bei leidžia nustatyti bandinio molekulinę orientaciją. Tuo tarpu įprastinis infraraudonosios spinduliuotės lazeris, pasižymintis didele galia, bet labai siauru spektru, nepamainomas, kuomet reikia išgauti itin detalų konkretaus cheminio ryšio vaizdą.
„Nei sinchrotroninė, nei lazerio generuojama spinduliuotė, jeigu jos taikomos atskirai, nebūtų užtikrinę tokių detalių rezultatų, – teigia M. Raškė. – Tik veikdamos kartu jos sukuria tokį galingą įrankį.“
Šis metodas ypač naudingas tyrinėjant vadinamąsias funkcines medžiagas, kurios pasižymi išskirtinėmis fotoninėmis, elektroninėmis, energijos virsmo ir kaupimo savybėmis.
„Iš esmės molekulinės orientacijos nustatymo metodiką būtų galima pritaikyti ir biologiniuose baltymų tyrimuose. Molekulinė orientacija yra nepaprastai svarbi apibrėžiant biologines funkcijas, nes molekulių orientacija nusako, kaip vyksta energijos ir krūvininkų pernaša iš ląstelių membranų į molekulines saulės energijos virsmo medžiagas.“
H. Bechtelis teigia, kad pasiūlytasis metodas leidžia sumažinti atvaizdavimo skyrą iki maždaug 10-20 nanometrų, kas reiškia apie 50 tūkstančių kartų mažesnius objektus nei smėlio smiltelė.
Iš esmės tokia vaizdo sukūrimo technika atominės jėgos mikroskopo adatėlę naudoja kaip ultrajautrią anteną, kuri siunčia ir gauna sufokusuotą infraraudonąją spinduliuotę adatėlės galiuko srityje. Adatėlės, judančios bandinio paviršiumi, išsklaidyta spinduliuotė yra užfiksuojama detektoriumi ir paverčiama didelės raiškos vaizdais.
Tai neinvazinė procedūra, suteikianti informacijos apie molekulinius virpesius. Mokslininkai tyrinėjo organinio puslaidininkio, vadinamo PTCDA, kristalines savybes ir aptiko orientacinius defektus, kurie leido visai kitu kampu pažvelgti į kristalo augimo mechanizmą bei pateikė įžvalgų, kaip būtų galima panaudoti šią medžiagą konstruojant molekulinius įrenginius.
Crystal clear imaging: Infrared brings to light nanoscale molecular arrangement
Daugiau:
Mokslininkai bando perprasti kristalų formavimosi paslaptis
Sugalvota, kaip kuriant naujas medžiagas į pagalbą pasitelkti kompiuterius
Cementas ne terš, o saugos gamtą
Ateities technologijos – medžiagų ir nanotechnologijų specialistų rankose?