Субатомный бит, образованный двумя протонами, туннелирующими внутри простой органической молекулы, можно переключить, приблизив к молекуле одиночный атом меди. Захватывающий эксперимент, демонстрирующий это явление, был проведен группой исследователей из Института Фрица-Габера при Макса Планка-Гезельшафта (FHI) в Берлине, Ливерпульского университета (UL) и Института физической химии Польская академия наук (IPC PAS) в Варшаве. Об эксперименте сообщалось в статье, опубликованной в Nature Chemistry.
В ходе исследования исследователи использовали особые свойства молекулы порфицена. Порфицен (C20H14N4) — производное порфирина. Химические соединения, принадлежащие к этой группе, встречаются в природе.
Они обнаруживаются, например, в крови человека, где участвуют в реакциях, связанных с переносом кислорода. Их молекулы имеют форму плоских углеродных колец с атомами водорода снаружи и четырьмя атомами азота внутри, расположенных в углах четырехугольника.В центре молекулы порфицена, в пустом пространстве, окруженном атомами азота, есть два протона (то есть ядра атомов водорода), которые могут перемещаться между атомами азота. Интересно, что оба протона всегда смещаются вместе.
Исследование, проводимое на протяжении более десяти лет командой профессора Яцека Валука (IPC PAS), предполагает, что движение протонов — это не просто смещение в пространстве. Протоны меняют свое положение из-за эффекта квантового туннелирования: используя принцип неопределенности, они просто исчезают в одном месте и снова появляются в другом.В берлинской лаборатории FHI молекулы порфицена, предоставленные командой профессора Валука, были нанесены индивидуально на поверхность идеального кристалла меди.
Работа была непростой и требовала разработки соответствующих методик — без них молекулы порфицена склонны образовывать группы (агрегаты).Следующим шагом были эксперименты в высоком вакууме и при очень низкой температуре (5 К, что означает пять градусов выше абсолютного нуля). Одиночная молекула порфицена, лежащая на медной подложке, наблюдалась с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
Прибор позволял регистрировать изменения электронной плотности молекулы и, таким образом, отслеживать изменения ее формы. Изображения, полученные с помощью этой техники, позволили определить текущее положение обоих протонов.
Таким образом, исследователи смогли наблюдать движение атомов внутри молекулы в ходе химической реакции.«Мы были очень удивлены, обнаружив, что после осаждения на медную подложку ионы водорода в молекуле порфицена образовали конфигурацию, которая никогда не наблюдалась до сих пор, несмотря на многие, многие годы исследований этого соединения.
Вместо того, чтобы находиться в противоположном направлении. В углах четырехугольника, образованного атомами азота, оба протона заняли позиции рядом друг с другом. Как ни странно, мы обнаружили новый таутомер порфицена! », — комментирует профессор Валюк.В последующих попытках с помощью острия сканирующего туннельного микроскопа одиночный атом меди был перемещен ближе к молекуле порфицена с разных сторон.
Оказалось, что в зависимости от положения атома меди оба протона в порфицене, перемещаясь между атомами азота, располагались сначала с одной стороны, а затем с другой стороны молекулы. Таким образом, молекула порфицена действует как бинарный переключатель, управляемый только одним атомом меди.
Изменения положения атома меди менее чем на одну десятимиллиардную метра было достаточно, чтобы инициировать переход между состояниями.Исследование, проведенное командой из FHI, UL и IPC PAS, доказывает, что близость молекулы может существенно повлиять на ее физические и химические свойства. Результаты исследования показывают, что при определенных условиях окружение молекул должно контролироваться с атомной точностью. С другой стороны, наблюдаемая чувствительность к изменениям окружающей среды открывает путь для разработки методов регулирования процессов, происходящих в отдельных молекулах.
«Кажется вероятным, что обнаруженная нами чувствительность молекулы к ее окрестностям — обычное явление в природе. Это явление можно использовать, например, при разработке наномашин, обрабатывающих информацию на уровне одной молекулы», — резюмирует профессор Валук.