Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde onderwijs in het voortgezet onderwijs.
Nieuw uniek beeld van molecuul
Bron: Volkskrant, 29 augustus 2009
Atomair beeld maken van molecuul is complexe zaak
Het is niet eenvoudig om een beeld te maken van atomen in een molecuul. Maar wetenschappers in Zürich en Utrecht is dat nu gelukt.
Op een feestje vertellen waar hij zijn zomervakantie heeft gevierd, is niet eenvoudig voor Peter Liljeroth. Het is wellicht het gemakkelijkst voor de onderzoeker van de Universiteit van Utrecht om te vermelden dat het hem met vier collega’s van een IBM-laboratorium in Zürich, als eerste ter wereld, gelukt is om de ruggegraat van een molecuul in beeld vast te leggen. Hiervoor moeten onderzoekers op het niveau van atomen observeren, en dit vereist zowel zeer speciale apparatuur als bijzondere methoden.
In het een nummer van Science gebruiken de vijf onderzoekers aanzienlijk meer tekst en uitleg voor de beschrijving van hun opmerkelijke onderzoeksprestatie dan de journalist van De Volkskrant. De speciale ‘camera’ van de onderzoekers is feitelijk een bijzonder soort microscoop zonder lenzen. De camera heeft een piepklein en zeer gevoelig veertje waarmee het oppervlak van een molecuul kan worden afgetast. Dit hele proces kan men vergelijken met een blinde die een boek in braille leest. Toch is deze vergelijking verre van volmaakt. Iemand die blind is, betast namelijk met zijn vingers de braillebolletjes op het papier. Dit is een groot verschil met het veertje in de microscoop van Liljeroth en IBM. Dit veertje bevindt zich boven het molecuul op een afstand van een halve nanometer, oftewel de helft van een miljoenste milimeter.
Met deze afstand kunnen onderzoekers daadwerkelijk de aantrekkingskracht tussen atomen meten. En het is precies het miliscule werk op dit niveau waar de onderzoekers ervaren in zijn. In juni 2009 publiceerden ze een artikel in Science. In het artikel toonden de onderzoekers aan dat ze met hun zogenoemde atoomkrachtmicroscoop in een molecuul de afzonderlijke atomen konden bepalen. Dit betekende positief, negatief of niet. Dit verhaal klinkt gemakkelijker dan het in realiteit was voor de onderzoekers. Want de krachten zijn dermate zwak op het niveau van atomen, dat invloed van buitenaf fataal is. De microscoop is dan ook zo gebouwd dat het geschikt is voor een extreem hoog vacuüum en temperatuur van minus 268 graden Celsius. Hiermee is het zo geconstruëerd dat het op een niveau van luttele 5,15 graden boven het absolute nulpunt kan werken. Dit is het punt waarbij atomen tot stilstand komen.
Normaliter gebruikt men een metalen punt van de veer in de atoomkrachtmicroscoop. Liljeroth en de andere onderzoekers koppelden hieraan een koolmonoxidemolecuul. Hiermee wilden ze de gevoeligheid van de punt verhogen. Zo kan men de structuur van atomen in een molecuul in beeld brengen. Maar dat is geen gemakkelijk kunstje. Liljeroth en zijn collega’s moeten meten hoe ver de veer ‘uitslaat,’ een flink ingewikkeld karwei.
Voor de eerste atomaire beeldopname hanteerden de onderzoekers een pentaceenmolecuul. De organische stof Pentaceen is uiterst geschikt om electriciteit te leiden.
De grootte van een Pentaceenmolecuul is 0,14 nanometer. Deze molecuul bestaat uit 14 waterstofatomen, die samen deel uitmaken van vijf ringen. De posities van beide soorten atomen zijn af te leiden op de beeldopname van Liljeroth en zijn collega-onderzoekers.
Bovendien is ook de elektronendichtheid tussen atomen en hun chemische bindingen waarneembaar.
Het belang van dit soort onderzoek is dat men op deze manier de bouwstenen van schakelingen op moleculair en atomair niveau kan maken in de toekomst.
Vragen en opdrachten
Een trillend veertje waarvan de punt een molecuul kan aftasten is op zichzelf een technisch wondertje. De nadering van de punt naar het molecuul heeft invloed op de trilling van het veertje.
a) Hoe hebben de onderzoekers de punt scherp gemaakt?
b) Beschrijf de invloed.
Deze invloed wordt gemeten terwijl het veertje langs het horizontale molecuuloppervlak beweegt (‘scant’). Door het veertje vertikaal (z-richting) te verplaatsen tijdens het scannen houdt men die invloed constant.
c) Leg uit dat de verplaatsing van het veertje in de x-richting een lijnprofiel van het molecuuloppervlak geeft.
d) Verklaar nu hoe men een driedimensionaal beeld (x, y en z-richting) van het molecuuloppervlak kan verkrijgen.
e) Waardoor kan men de posities van koolstofatomen en waterstofatomen onderscheiden?
f) Leg uit, dat men dan ook een effect van de aanwezigheid van elektronen moet kunnen onderscheiden.
g) Wat zou het (toekomstige) nut van schakelingen op moleculair en atomair gebied kunnen zijn?
Uitwerking vraag (a)
Ze hebben een CO2 molecuul aan de punt vastgeplakt.
Uitwerking vraag (b)
De trilling wordt gedempt en de mate van demping wordt vervolgens gemeten.
Uitwerking vraag (c)
Terwijl de punt van het veertje langs de x-richting scant, gaat de punt mee met de hoogte (z-richting) van het molecuuloppervlak, zodat de mate van demping gelijk blijft. Hierdoor wordt er dus een lijnprofiel van het molecuuloppervlak gegenereerd.
Uitwerking vraag (d)
Als zo'n lijnscan in de x-richting voor verschillende y-waarde uitgevoerd wordt, kan de z-waarde voor elke waarde van x en y bepaald worden. Dit geeft dus een riedimensionaal beeld.
Uitwerking vraag (e)
Koolstofatomen hebben een 6 maal zo grote kernlading, en het effect op het veertje zal dus ook groter zijn.
Uitwerking vraag (f)
Elektronen hebben een even grote absolute lading als waterstofkernen.
Uitwerking vraag (g)
Schakelingen op moleculair en atomair gebied zouden in de toekomst tot snellere computers kunnen leiden.
