Найден ответ на вопрос, почему работает новая техника отображения молекул
 Новая методика позволяет видеть структуру молекулы (а точнее, распределение электронной плотности). (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Совсем недавно мы писали о создании новой техники изображения молекул на базе принципов сканирующей туннельной микроскопии (СТМ): http://sci-lib.com/article806.html. Напомним, что методика подразумевает размещение на конце острия «стандартного» СТМ одного единственного атома водорода или дейтерия. Эксперименты показали, что благодаря всего одному атому результирующая картинка имела гораздо более высокое качество, отображая самые мелкие детали, вплоть до химических связей. При этом формирование острия для этой техники не столь тяжело, как может показаться. Для того чтобы разместить на острие один атом водорода, его достаточно охладить примерно до 10 градусов по шкале Кельвина и поместить в емкость с газообразным водородом.
Однако, перед тем, как широко применять найденный метод, ученым необходимо было сформулировать теоретические основы его работы. Предварительно по завершении экспериментов ученые предположили, что суть работы метода состоит в применении принципа Паули. А в своей последней работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они дали детальное объяснение процесса.
Принцип Паули гласит, что два или более электронов не могут находиться в одном и том же квантомеханическом состоянии. В реальном мире принцип Паули выражается в отталкивающей силе ближнего действия.
В обычном сканирующем туннельном микроскопе ток через систему зависит исключительно от валентных электронов, которые дают слабое представление о внутренней структуре этой молекулы. В случае с водородной сканирующей туннельной микроскопией (именно такое название получила новая техника) результатом может стать картина распределения электронной плотности, что, на самом деле, и есть структура молекулы. Теоретическая работа показывает, что в этом случае сила отталкивания между электронами в атоме водорода и молекуле на поверхности, объясняемая принципом Паули, вызывает смещение водорода внутрь острия. Причем, это перемещение зависит от электронной плотности: чем выше электронная плотность у молекулы – тем больше смещение. Когда атом водорода перемещается, изменяется туннельный ток, т.е., фактически, атом водорода выступает в роли усилителя сигнала.
Теоретические исследования показали также, что техника будет работать, если между острием и единственным атомом на его поверхности не будет химической связи. Соответственно, аналогичные эксперименты могут быть проведены с атомами инертных газов, например, гелием и неоном.
Учитывая достаточно полное теоретическое описание метода, ученые уже надеются применить технику для отображения молекул, структура которых ранее считалась неизвестной. Однако, им придется считаться с главным недостатком методики: она позволяет отображать только «плоские» молекулы, т.е. те, которые могут быть размещены на неком основании.
Также по теме:
Источники: