Lần đầu tiên chụp ảnh được liên kết hydro

STM bình thường chỉ có thể trông thấy phân tử PTCDA là một thùy mờ mờ (hình trên cùng), còn việc bổ sung thêm hydrogen vào đầu nhọn giúp trông rõ hơn cấu trúc kiểu vòng của phân tử (hình giữa). Hình dưới cùng là công thức cấu trúc hóa học của PTCDA. (Ảnh: Stefan Tautz)

Khi các nhà vật lí ở Đức phát hiện ra một phương pháp đơn giản sử dụng kính hiển vi quét chui hầm (STM) để chụp ảnh các phân tử ở cấp độ nguyên tử lần đầu tiên, kĩ thuật trên đã đưa những thiết bị này trở nên hữu dụng hơn nhiều trong việc nghiên cứu cấu trúc phân tử. Nhưng trước khi phương pháp có thể được sử dụng đảm bảo bởi cộng đồngkhoa học rộng rãi hơn, các nhà nghiên cứu cần phải giải quyết được bí ẩn là vì sao phương pháp lại hoạt động tốt như vậy.

Hai năm đã trôi qua, nay các nhà vật lí tại Forschungszentrum Jülich và Đại học Osnabrück vừa chứng minh được rằng sự tiến bộ đó là do lực đẩy Pauli. Đây là lực tác dụng tầm ngắn phát sinh từ thực tế là hai hoặc nhiều electron không thể chiếm giữ cùng một trạng thái cơ lượng tử.

Kĩ thuật trên, do Stefan Tautz cùng đồng nghiệp phát triển, được gọi là kính hiển vi hydrogen quét chui hầm (STHM) và nó yêu cầu đặt một phân tử hydrogen ngay tại đầu mút kim loại của một STM thông thường – yêu cầu này dễ dàng thực hiện bằng cách làm lạnh đầu nhọn xuống khoảng 10 K và phô nó ra trước chất khí hydrogen.

Sau đó, người ta cho đầu nhọn tiếp xúc với phân tử muốn khảo sát, phân tử đó nằm cố định với một bề mặt kim loại. Một điện áp nhỏ được thiết lập giữa đầu nhọn và mẫu gây ra một dòng điện chạy giữa hai bên. Rồi đầu nhọn quét qua mẫu để đo dòng điện là hàm của vị trí, từ đó tạo ra ảnh của phân tử.

Trong một STM thông thường, dòng điện chỉ phụ thuộc vào các electron hóa trị của phân tử, chúng cung cấp ít kiến thức về cấu trúc của phân tử. Nhưng với hydrogen trên đầu nhọn, STM có thể lập bản đồ mật độ electron toàn phần (TED) của phân tử - về cơ bản đó là cấu trúc phân tử.

Trong nghiên cứu mới nhất này, Tautz và các đồng nghiệp chứng tỏ rằng nếu đầu nhọn được duy trì ở một độ cao không đổi và quét qua toàn bộ mẫu, thì lực đẩy Pauli giữa các electron trong hydrogen và các electron trong phân tử đó có xu hướng đẩy hydrogen vào trong đầu nhọn kim loại. Khi đầu nhọn ở phía trên cùng có mật độ electron cao, thì hydrogen bị đẩy sâu hơn so với khi đầu nhọn ở phía trên những vùng có mật độ electron thấp.

Khi hydrogen bị đẩy vào trong đầu nhọn kim loại, các electron dẫn bị buộc ra khỏi đầu nhọn – một hệ quả khác của lực đẩy Pauli. Kết quả là sự giảm dòng điện chạy giữa hydrogen và đầu nhọn.

Trong nghiên cứu mới nhất của họ, các nhà nghiên cứu đã khảo sát phân tử hydrocarbon PTCDA, phân tử tạo nên vân lục giác trên bề mặt vàng. Đồng thời ghi ảnh từng phân tử PTCDA một, lần đầu tiên đội khoa học đã có thể thấy các liên kết rất yếu giữa các phân tử.

“Phân tử hydrogen này vừa là bộ cảm biến vừa là bộ biến đổi tín hiệu”, Tautz giải thích. Ông cho biết sự thành công của kĩ thuật trên cũng phụ thuộc vào thực tế là không có liên kết hóa học nào giữa hydrogen và đầu nhọn. Nói cách khác, kĩ thuật trên cũng có thể hoạt động khi sử dụng các nguyên tử khí trơ như helium và neon.

Giờ thì cơ sở vật lí của STHM đã được hiểu rõ, Tautz tin rằng nó thể được sử dụng trong các nghiên cứu nhận biết các phân tử phức tạp trước nay chưa bao giờ từng trông thấy. Tuy nhiên, một hạn chế của kĩ thuật trên là nó chỉ hoạt động với các phân tử “phẳng” có thể gắn lên trên một chất nền.

Dẫu vậy, vị chuyên gia STM Markus Ternes tại Viện Nghiên cứu Chất rắn Max Planck ở Stuttgart, Đức, đã mô tả các kết quả trên “hết sức to lớn”. Ông cho biết nghiên cứu này đã xác lập tính chắc chắn tin cậy của kĩ thuật trên và nó sẽ thúc đẩy các nhà nghiên cứu sử dụng STHM làm một công cụ phân tích. Ternes không tham gia gì trong nghiên cứu này và ông nói STHM “đẹp vì tính đơn giản của nó”.

Nguồn: physicsworld.com