Исследователи из США разработали новую методику получения изображений, которая комбинирует разрешающие способности сканирующей туннельной микроскопии [scanning tunneling microscopy (STM)] с информацией, которую можно получить с помощью инфракрасной спектроскопии.

Новая методика может одновременно визуализировать небольшое количество молекул, находящихся на поверхности и получать их вибрационный спектр.

Обнаружение и определение молекул, находящихся на поверхности, равно как и понимание особенностей их взаимодействия с поверхностью и друг с другом может оказаться важным фактором для управления свойствами поверхностей, а также создания новых наноструктур для потенциально полезных приложений.

Инфракрасная спектроскопия может предоставить большой объем информации о строении молекул – инфракрасные спектры возникают в результате колебательного (отчасти вращательного) движения молекул, а именно — в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния молекул и могут считаться молекулярными «отпечатками пальцев. Тем не менее, несмотря на ценную информацию, которую может предоставить ИК спектроскопия, ее разрешающая способность недостаточна для детектирования отдельных молекул.

Ранее предпринимались неоднократные попытки модификации сканирующего туннельного микроскопа химической чувствительностью за счет его гибридизации с ИК-спектрометром. Однако разработанные ранее методики, включая основанную на сканирующей туннельной микроскопии неэластичную туннельную спектроскопию [inelastic tunnelling spectroscopy (IETS)], обладали целым рядом недостатков и не применялись на практике.

ИК-лазер скомбинирован со сканирующим туннельным микроскопом, полученное устройство позволяет изучать колебательную картину молекул, закрепленных на поверхности золота.

Исследователи из Национальной Лаборатории Лоуренса Беркли и Университета Калифорнии разработали методику, которая позволяет преодолеть известные ранее недостатки аналитических методов, используя сканирующий туннельный микроскоп в качестве чувствительного детектора для регистрации ИК спектра монослоев молекул, нанесенных на электропроводные кристаллы. Хотя новый метод пока еще и не позволяет зарегистрировать вибрационный спектр одной молекулы, он уже достаточно перспективен.

Возглавлявший работу Майкл Кромми (Michael Crommie) полагает, что новую методику удалось разработать благодаря современным достижениям в области, связанной с разработкой новых ИК-лазеров. Он подчеркивает, что для выполнения проведенных измерений необходимо точно переключать рабочую частоту стабильного и яркого ИК-лазера, чего до недавнего времени практически невозможно было достичь.

Исследователи сконструировали стабильный настраиваемый ИК-лазер, частота излучения которого может точно регулироваться в области, характерной для деформационных колебаний связей C–H, и с комбинировали его с низкотемпературным сканирующим туннельным микроскопом с высоким разрешением. Для проверки комбинированной системы в качестве объекта исследования применялись кристаллические вещества, нанесенные на золото.

Кромми поясняет, что эксперимент заключался в простом освещении лазером интересующих исследователей «островков» молекул с последующим определением зависимости положения зонда от частоты лазера. Такой внешне простой подход позволил детектировать ИК-спектры монослоев и бислоев молекул.

Как отмечает Штефан Таутц (Stefan Tautz), специалист по визуализации молекул, результаты работы уже можно считать прорывом в области, добавляя, что если исследователям удастся добиться мономолекулярного разрешения, возможности сканирующей туннельной микроскопии смогут достичь невиданных высот, однако, по словам Кромми, для получения изображений такого качества в первую очередь для новой системы необходимо понизить соотношение сигнал/шум.