Это достижение имеет огромное значение для фундаментального научного понимания. Оно также, вероятно, будет иметь важное практическое применение, например, для изменения методов разработки новых лекарств исследователями.

Управление реакциями с одним исходом и одной молекулой в настоящее время стало почти обычным делом в исследовательских лабораториях по всему миру. Например, более десяти лет назад исследователи из технологического гиганта IBM продемонстрировали свою способность манипулировать отдельными атомами, создавая Мальчик и его атом, самый маленький фильм в мире. В фильме отдельные молекулы, состоящие из двух атомов, соединенных вместе, были увеличены в 100 миллионов раз и расположены кадр за кадром, чтобы рассказать историю в атомном масштабе.

Однако достижение контроля над химическими реакциями с несколькими исходами остается труднодостижимой задачей. Это важно, потому что, как правило, полезны только некоторые результаты химической реакции.

Например, во время синтеза лекарственного средства химический процесс, который приводит к "циклизации", приводит к получению желаемого терапевтического соединения, однако "полимеризация", другой результат, приводит к нежелательным побочным продуктам.

Возможность точно контролировать реакции для достижения желаемых результатов и уменьшения количества нежелательных побочных продуктов обещает повысить эффективность и устойчивость фармацевтических процессов.

Сканирующая туннельная микроскопия

Новое исследование, опубликованное сегодня в журнале Связь с природой, намеревались впервые продемонстрировать, что на результаты конкурирующих химических реакций можно повлиять, используя атомное разрешение сканирующего туннельного микроскопа (STM).

Обычные микроскопы используют свет и линзы для увеличения образцов, что позволяет нам рассматривать их невооруженным глазом или с помощью фотоаппарата. Однако, когда речь заходит об атомах и молекулах, размеры которых превышают размеры даже самых коротких волн видимого света, традиционные методы оказываются неэффективными.

Чтобы исследовать эти крошечные области, ученые обращаются к сканирующему туннельному микроскопу, который работает во многом как проигрыватель пластинок.

Сканирующие туннельные микроскопы с наконечником толщиной в один атом перемещаются по поверхности материала, измеряя такие свойства, как электрический ток, для отображения каждой точки. Однако вместо того, чтобы вдавливать наконечник в поверхность, как иглу проигрывателя, он парит над ней всего на ширину одного атома.

При подключении к источнику питания электроны перемещаются по наконечнику и совершают квантовый скачок через промежуток размером с атом. Чем ближе наконечник к поверхности, тем сильнее ток; чем дальше он находится, тем слабее ток. Это четко определенное соотношение между расстоянием между наконечниками и током позволяет микроскопу измерять и отображать поверхность атома или молекулы на основе силы электрического тока. Когда наконечник скользит по поверхности, он создает точное, построчное изображение поверхности, выявляя детали, невидимые для обычных световых микроскопов.

Реакции с одной молекулой

Используя атомарную точность сканирующего туннельного микроскопа, ученые могут не только составить карту поверхности молекулы - они могут как перемещать отдельные атомы и молекулы, так и влиять на вероятность протекания определенных реакций в отдельных молекулах и измерять ее.

Доктор Кристина Русимова, возглавлявшая исследование, сказала: "Как правило, технология STM используется для изменения положения отдельных атомов и молекул, обеспечивая целенаправленные химические взаимодействия, однако возможность направлять реакции с конкурирующими результатами оставалась сложной задачей. Эти различные исходы происходят с определенной вероятностью, определяемой квантовой механикой, - это похоже на бросание молекулярного кубика.

"Наше последнее исследование показывает, что STM может контролировать вероятность результатов реакции, избирательно манипулируя состояниями заряда и определенными резонансами посредством целенаправленного ввода энергии".

Доктор Питер Слоун, старший преподаватель физического факультета и соавтор исследования, сказал: "Мы использовали наконечник STM для введения электронов в молекулы толуола, что приводило к разрыву химических связей и либо к перемещению в соседний участок, либо к десорбции.

"Мы обнаружили, что соотношение этих двух результатов зависит от энергии инжектируемых электронов. Эта энергетическая зависимость позволила нам контролировать вероятность каждого результата реакции путем целенаправленного "нагрева" промежуточного молекулярного состояния, руководствуясь точными энергетическими порогами и молекулярными барьерами".

Аспирант Питер Кинан (Pieter Keenan), первый автор исследовательской публикации, сказал: "Ключевым моментом здесь было поддержание идентичных начальных условий для тестовых реакций - точное соответствие места инъекции и состояния возбуждения - и последующее изменение результатов, основанное исключительно на энергии инжектируемых электронов.

"В рамках реакции одной молекулы на подводимую энергию различные барьеры реакции определяют вероятность исхода реакции. Изменяя только подводимую энергию, мы можем с высокой точностью сделать один результат реакции более вероятным, чем другой - таким образом, мы можем "разложить молекулярные кубики"".

Профессор Тилманн Кламрот из Потсдамского университета в Германии добавил: "Это исследование сочетает в себе передовое теоретическое моделирование с экспериментальной точностью, что приводит к новаторскому пониманию вероятностей реакций, основанному на молекулярно-энергетическом ландшафте. Это открывает путь для дальнейших достижений в области нанотехнологий".

Заглядывая в будущее, доктор Русимова сказала: "Благодаря применению как в фундаментальной, так и в прикладной науке, это достижение представляет собой важный шаг на пути к полностью программируемым молекулярным системам. Мы ожидаем, что подобные технологии откроют новые горизонты в молекулярном производстве, откроют двери для инноваций в медицине, чистой энергетике и за ее пределами".

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications. Оно финансировалось Королевским обществом и Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC).