« Nous avons maintenant un microscope qui peut résoudre les atomes, et nous l'utilisons pour regarder à l'intérieur des molécules, ce qui était impensable il y a seulement quelques années, ", déclare le co-auteur de l'étude V. Ara Apkarian (à droite), directeur du Centre de chimie à la limite spatio-temporelle de l'UCI. "Ce que nous voyons à cette échelle est vraiment incroyable." Ici, lui et le co-auteur de l'étude Joonhee Lee, un chercheur scientifique du CaSTL, se tenir devant le laser femtoseconde au titane et au saphir utilisé dans leurs expériences. La machine à l'arrière-plan est le microscope à effet tunnel cryogénique à ultravide de CaSTL. Crédit :Steve Zylius / UCI
En concentrant la lumière jusqu'à la taille d'un atome, scientifiques de l'Université de Californie, Irvine a produit les premières images des modes normaux de vibration d'une molécule - les mouvements internes qui conduisent la chimie de toutes choses, y compris la fonction des cellules vivantes.
Dans une étude publiée aujourd'hui dans La nature , des chercheurs du Center for Chemistry at the Space-Time Limit de l'UCI décrivent comment ils ont positionné la pointe en argent à terminaison atomique d'un microscope à effet tunnel à quelques ängstroms de sa cible :une molécule de porphyrine à base de cobalt fixée à une plate-forme en cuivre. (Les porphyrines sont d'une importance biologique pour leur rôle dans la respiration et la photosynthèse.)
En poussant la molécule avec la lumière confinée sur l'atome d'argent, l'équipe s'est penchée sur le régime quantique parmi les atomes gazouillants de la molécule, devenant le premier à enregistrer des spectres vibrationnels et à observer comment les charges et les courants qui maintiennent les atomes ensemble dans des liaisons sont régis par les vibrations moléculaires.
"Des changements structurels en chimie à la signalisation moléculaire, tous les processus dynamiques de la vie ont à voir avec les vibrations moléculaires, sans quoi tout serait gelé, " a déclaré le co-auteur V. Ara Apkarian, Directeur du CaSTL et professeur émérite de chimie UCI. "Nous sommes depuis longtemps conscients de ces vibrations. Depuis des lustres, nous avons mesuré leurs fréquences par spectroscopie, mais ce n'est que maintenant que nous avons pu voir ce qui bouge et comment. »
Co-auteur Joonhee Lee, Chercheur scientifique CaSTL, a ajouté :« À ce jour, les vibrations moléculaires ont été expliquées de manière imagée à l'aide de boules agitées et de ressorts de connexion pour représenter les atomes et les liaisons, respectivement. Maintenant, nous pouvons visualiser directement comment les atomes individuels vibrent au sein d'une molécule. Les images que nous fournissons apparaîtront dans les manuels pour aider les étudiants à mieux comprendre le concept de modes normaux vibratoires, qui jusqu'à présent était un concept théorique.
Pour obtenir une résolution atomique, Les chercheurs du CaSTL ont installé leur expérience dans un environnement à vide extrêmement élevé et à basse température (6 kelvins) pour éliminer tous les mouvements externes et ont positionné leur sonde à atome unique près de la molécule ciblée, à une distance inférieure à la taille d'un atome. Les lentilles en verre ne fonctionneraient pas dans ce type de microscopie, dans lequel les caractéristiques sont résolues à une échelle mille fois plus petite que la longueur d'onde de la lumière.
"La limite de ce que vous pouvez voir en microscopie standard est la moitié de la longueur d'onde de la lumière, qui est de l'ordre d'un demi-micron, d'où le microscope tire son nom, " A déclaré Apkarian. " Le microscope optique a révolutionné la biologie cellulaire, car grâce à lui, vous pouvez observer ce qui se passe à l'intérieur d'une cellule, mais une molécule fait un millième de la taille d'une cellule. "
Dans leur expérience, l'équipe a poussé et poussé la molécule à base de cobalt avec un atome d'argent zappé avec une lumière laser, risquer l'agitation de la cible. Les scientifiques du CaSTL ont atténué cette possibilité en congelant l'échantillon sur un substrat de cuivre. La molécule s'aplatit en se liant au cuivre, s'exposant à l'approche rapprochée de la pointe du microscope à effet tunnel.
En déplaçant la pointe d'argent de haut en bas par rapport à l'échantillon pour garder une distance d'environ 2 ängstroms (1 ängstrom équivaut à un dix-milliardième de mètre), les chercheurs ont pu enregistrer des différences de fréquences à diverses positions au sein de la molécule. Ils soutiennent que l'incroyable résolution provient de l'effet tunnel de la mécanique quantique des plasmons (électrons interagissant avec la lumière), contrer l'idée que l'effet tunnel diminuerait le champ électrique nécessaire pour exciter la molécule.
"Nous avons maintenant un microscope qui peut résoudre les atomes, et nous l'utilisons pour regarder à l'intérieur des molécules, ce qui était impensable il y a seulement quelques années, " a déclaré Apkarian. " La résolution spatiale de la microscopie optique a été avancée d'un cran, et ce que nous voyons à cette échelle est vraiment incroyable."
Prochain, Les scientifiques du CaSTL affineront davantage leurs mesures des champs électriques au sein des molécules, travailler pour détecter où les atomes manquent dans les structures moléculaires, et utiliser les principes d'interférence quantique pour caractériser des détails encore plus fins.
« Cette équipe soutenue par la National Science Foundation a franchi une étape importante en surmontant des obstacles impossibles pour développer un nouvel instrument permettant de « voir » les atomes individuels d'une molécule en temps réel et dans l'espace, " a déclaré Kelsey Cook, Directeur du programme de chimie de la NSF. "Cette invention conduira à des réalisations sans précédent, compréhension transformationnelle de la réaction des molécules et du fonctionnement des cellules.
