Mezinárodnímu výzkumnému týmu, jehož součástí byli vědci z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, se podařilo objasnit složitý mechanismus tvorby chemické vazby při srážce molekul. Odborníci zjistili, že reakce proběhne pouze tehdy, jsou-li molekuly vůči sobě natočeny ve velmi úzkém rozmezí úhlů – v takzvaném kuželu reakce. Společný výzkum tak přinesl odpověď na jednu ze základních otázek chemie: za jakých podmínek mezi molekulami vznikají chemické vazby. Výsledky studie Spatially resolving the cone of reaction for a single molecule zveřejnil prestižní vědecký časopis Science.
Řada chemických reakcí začíná srážkou dvou částic. K vytvoření nové chemické vazby však nestačí, aby se molekuly pouze setkaly. Jejich srážka musí proběhnout s dostatečnou energií, ve vhodné vzájemné orientaci a na správném místě. Za běžných podmínek, například v roztocích nebo plynech, se však molekuly srážejí chaoticky, a přesné parametry těchto srážek proto nelze kontrolovat.
Molekuly pod kontrolou
Vědci na měděném povrchu dokázali řídit srážky jednotlivých molekul a jejich průběh sledovali pomocí rastrovacího tunelovacího mikroskopu. Přístroj využili nejen k zobrazování jednotlivých molekul, ale také k jejich cílenému urychlování reaktantů proti sobě. Každou srážku následně analyzovali s rozlišením na úrovni jednotlivých atomů. Díky tomu mohli jednoznačně určit, zda mezi molekulami vznikla nová chemická vazba.
„To, co je v běžné chemii skryté ve statistice miliard srážek, se nám podařilo rozložit na jednotlivé případy a přímo zmapovat.“ Adam Matěj
Klíčovým zjištěním studie je, že o výsledku srážky rozhoduje mimořádně přesná orientace molekul. Nová vazba vznikla pouze tehdy, když byla cílová molekula natočena v rozmezí několika stupňů vůči směru pohybu druhé molekuly. Při pootočení o více než patnáct stupňů se molekuly pouze odrazily bez jakékoli reakce.
Rozhoduje přesné natočení molekul
„Poprvé jsme mohli u jediné molekuly sledovat, jak přesně musí být natočena, aby reakce vůbec proběhla. To, co je v běžné chemii skryté ve statistice miliard srážek, se nám podařilo rozložit na jednotlivé případy a přímo zmapovat,“ uvedl Adam Matěj z katedry fyzikální chemie přírodovědecké fakulty.
Významnou roli ve studii sehrála právě teoretická část, na níž se podíleli vědci z Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu AV ČR. Pomocí kvantově-mechanických výpočtů vysvětlili, proč je „kužel reakce“ tak úzký. Ukázalo se, že reaktivní uhlíkový atom je obklopen atomy vodíku, které brání přístupu reagující molekuly téměř ze všech směrů.
Přístup k reakci omezuje uspořádání atomů
Výpočty zároveň objasnily překvapivý experimentální výsledek. Chemická reakce proběhla i v případě, kdy se molekula pohybovala po sousední řadě atomů mědi, kde by podle původních předpokladů neměla vazba vzniknout.
„Síla této práce je v tom, že se experiment a teorie doplnily do jednoho obrázku. Mikroskop ukázal, co se při srážce stane, a výpočty vysvětlily proč.“ Pavel Jelínek
„Vysvětlením je nepatrný posun jednoho atomu mědi na povrchu. Vazba terče k povrchu ho vytáhne z jeho místa a přiblíží k sousední řadě natolik, že dokáže projektil doslova převzít a nasměrovat na správné místo. Ukazuje to, že povrch není jen pasivní podložka, ale sám aktivně vstupuje do reakce a může umožnit i dráhy, které by jinak byly nepříznivé,“ podotkl Adam Matěj.
O průběhu reakce rozhoduje i povrch
Výsledky mají význam pro vývoj takzvaných reakcí na površích, při nichž se z jednotlivých molekul cíleně skládají nové materiály a nanostruktury. Lepší pochopení vlivu prostorového uspořádání molekul umožní navrhovat molekulární stavební kameny tak, aby se spojovaly spolehlivěji a efektivněji. To představuje důležitý krok pro vývoj technologií založených na řízené stavbě struktur atom po atomu.
„Síla této práce je v tom, že se experiment a teorie doplnily do jednoho obrázku. Mikroskop ukázal, co se při srážce stane, a výpočty vysvětlily proč. Bez teoretického modelu bychom jen těžko odhalili, že za nečekaným průběhem reakce stojí pohyb jediného atomu povrchu,“ doplnil Pavel Jelínek z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR.
Studie Spatially resolving the cone of reaction for a single molecule vznikla ve spolupráci vědců z Univerzity v Grazu, Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, Univerzity Palackého v Olomouci, Univerzity Karlovy a Humboldtovy univerzity v Berlíně.