Et japansk forskerhold har vendt formen på et enkelt skålformet molekyle med spidsen af et atomkraftmikroskop og målt det mekaniske energiforbrug undervejs. Overraskelsen er, at nettoforbruget var lavere end den aktiveringsenergi, holdet beregnede for den samme formændring uden mikroskopspidsens påvirkning.

Resultatet blev offentliggjort 23. oktober i Nature Communications og samme dag præsenteret af University of Tokyo og Osaka University. Det giver et nyt indblik i, hvordan mekaniske kræfter kan styre molekyler. Forsøget bryder ikke energiens bevarelse: Spidsens tilstedeværelse ændrer selve det energilandskab, som molekylet bevæger sig igennem.

En molekylær skål bliver vendt

Forskerne arbejder med det organiske molekyle sumanen på en guldoverflade. Molekylet er krumt og kan ligge med skålen orienteret i to forskellige retninger. Ved at nærme en fin probe til et udvalgt molekyle kunne holdet fremkalde et skift fra den ene orientering til den anden.

Billeder før og efter indgrebet bekræftede ændringen. Forskerne observerede ikke samtidig rotation af det vendte molekyle eller dets naboer. Det understøtter, at de havde påvirket en bestemt formændring hos ét målrettet molekyle, frem for blot at flytte hele området rundt.

Teknikken kaldes atomkraftmikroskopi, AFM. Ud over at undersøge overfladers struktur kan metoden registrere kræfter mellem en meget skarp spids og prøven. Det gør den velegnet til at koble et mekanisk indgreb med en måling af, hvad indgrebet koster i energi.

Kraftmålingen giver et energiregnskab

Spidsen fulgte ikke den samme kraftkurve på vej ind mod molekylet og på vej væk igen. Området mellem disse to kurver beskriver det mekaniske energitab under processen. I en af de viste målinger var nettoforbruget 0,50 elektronvolt.

Til sammenligning beregnede holdet en aktiveringsenergi på 0,67 elektronvolt for vendingen på guldoverfladen uden spidsen. Aktiveringsenergien kunne ikke måles direkte i forsøget, fordi ændringen ikke forløb som en almindelig termisk reaktion under de valgte forhold. Sammenligningen er derfor mellem et målt mekanisk energiforbrug og en teoretisk beregnet barriere.

Forskerne fandt gennem flere manipulationer og forskellige spidser konsekvent nettoforbrug under den beregnede barriere. De præcise værdier varierede, hvilket holdet blandt andet forbinder med forskelle i spidsernes geometri.

Spidsen skubber og tiltrækker på samme tid

En reaktion kan beskrives som en vej fra en begyndelsestilstand gennem en ustabil overgangstilstand til en sluttilstand. Den sædvanlige energibarriere er højdeforskellen mellem begyndelsen og overgangstilstanden. Men den beskrivelse ændres, når et andet fysisk objekt påvirker molekylet under hele bevægelsen.

Her spiller både frastødning tæt på spidsens yderste ende og tiltrækkende van der Waals-kræfter fra resten af spidsen en rolle. Frastødningen deformerer skålen, mens tiltrækningen påvirker energiregnskabet. Ifølge forskernes model stabiliserer spidsen overgangstilstanden mere end sluttilstanden.

Derfor kan den energi, som samlet går tabt over bevægelsen frem og tilbage, være mindre end barrieren i det upåvirkede system. Det er ikke gratis energi og heller ikke en påstand om, at molekylet passerer en uændret barriere uden tilstrækkelig påvirkning. Barrieren og energiens udveksling med omgivelserne ændres under indgrebet.

Et meget kontrolleret laboratorieforsøg

Forsøget blev udført i ultrahøjt vakuum ved 4,8 kelvin, altså tæt på det absolutte nulpunkt. Kraftmålingerne blev foretaget uden påtrykt spændingsforskel mellem spids og prøve. De særlige betingelser hjælper forskerne med at skelne den mekaniske påvirkning fra andre mulige energikilder.

Det sætter også en tydelig grænse for anvendelsen. Det rapporterede energiforbrug gælder selve molekylemanipulationen, ikke strømforbruget til hele mikroskopet, kølingen og vakuumsystemet. Studiet dokumenterer derfor ikke en industriel kemisk proces med en bestemt samlet energibesparelse.

Forskerne ser mekanismen som en mulig inspirationskilde til mere energieffektiv molekylær manipulation. Før den kan bruges bredt, skal det undersøges, hvilke andre molekyler, overflader og arbejdsbetingelser der tillader lignende kontrol.

Det konkrete fremskridt er et målt energiregnskab for en enkelt formændring og en model, der forklarer resultatet. Arbejdet viser, hvorfor en mekanisk probe kan være mere end en kilde til et skub: Den kan ændre molekylets vej fra én struktur til en anden.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.