Фізики продемонстрували управління полярним ковалентним зв'язком між атомом золота, розміщеним на кінчику зонда атомно-силового мікроскопа, і атомом вуглецю на поверхні графена, прикладаючи різну різність потенціалів між ними. Вони показали, що при досить сильному зв'язку зонд здатний піднімати і відпускати графеновий шар. Дослідження опубліковано в.
Хімічні зв'язки відіграють важливу роль у формуванні властивостей молекул і кристалів як цілого. Керування параметрами хімічних зв'язків допоможе фізикам та інженерам у створенні нових матеріалів і пристроїв. І чим локальніше виявиться управління, тим більше мініатюрні пристрої можна буде створювати. У граничному випадку мова йде про можливість управління хімічним зв'язком одиночних атомів.
Вчені вже кілька десятків років йдуть цим шляхом. Так, наприклад, фізики змогли керувати властивостями одиночної молекули, поатомно змінюючи число ковалентних зв'язків за допомогою голки скануючого тунельного мікроскопа. Крім того, дослідники змогли візуалізувати молекулу пентацена, вивчаючи силу його зв'язку з зондом при доданому електричному полі.
У новій роботі фізики з Німеччини і Данії за участю Мадс Брандбіге (Mads Brandbyge) з Данського технічного університету змогли піти далі і провели експеримент, в якому керували силою зв'язку між одиночними атомами золота і вуглецю, прикладаючи електричне поле. Атом золота знаходився на вершині тонкої голки атомно-силового мікроскопа, яка підводилася до поверхні графена. Поле створювалося шляхом подачі напруги різної величини і знака між поверхнею і зондом.
Графен створювався шляхом нагріву карбіду кремнію до 1300 градусів за Цельсієм. У цьому випадку на одній з його граней формується шар надрешітки, що складається з графенових доменів. Крім чистого графена автори досліджували також його інтеркалйовану атомами літію форму. У такому графені атоми літію проникають у простір між графеном і підкладкою.
Дослідження проводилося в безконтактному режимі роботи атомно-силового мікроскопа. У ньому зонд здійснює механічні коливання над поверхнею зразка, не торкаючись його. Незважаючи на відсутність контакту, на зонд діють сили Ван-дер-Ваальса, які впливають на частоту цих коливань. Оскільки ці сили сильно залежать від відстані від зразка до зонда, це дозволяє вивчати властивості поверхні без її руйнування.
Фізики провели серію вимірювань частот і сил взаємодії між голкою і поверхнею при різних напругах між ними на різних висотах для обох форм графена. Вимірювання проводилися у вигляді послідовності підведення і відведення зонда. При подачі негативного потенціалу на зразок криві підведення і відведення практично повністю збігалися, як для частоти, так і для сили. Однак при подачі позитивного потенціалу криві демонстрували яскраво виражену гістерезу.
Автори пояснили таку поведінку, припустивши, що позитивний потенціал на зразку посилює зв'язок Au-C, тоді як негативний - навпаки, послаблює. У результаті в першому випадку під час відведення зонд подібно мініатюрному крану потягає за собою шар графена, деформуючи його. На деякій відстані упруга сила, викликана деформацією графена, перевищує силу зв'язку між атомами, і графен повертається у вихідний стан. Інтеркаляція послаблює зв'язок графена з підкладкою, і це виражається в тому, що в цьому випадку гістереза виражена набагато сильніше. Автори досліджували цей процес для різних докладених напружень, зондів і точок контакту зі зразком. Зокрема, вони з'ясували, що сила взаємодії практично не залежить від того, в якому місці решітки розташований атом вуглецю.
Для підтвердження своїх припущень фізики промоделювали цей процес за допомогою методу функціоналу щільності та методу нерівноважних функцій Гріна. Крім того, вони скористалися методом зарядового аналізу по Хіршфілду, щоб зрозуміти, що відбувається з електронною щільністю при додатку електричного поля різних знаків. Результати моделювань продемонстрували гарну згоду з експериментом.
Автори зазначають, що контроль хімічного зв'язку на рівні одиночних атомів і можливість управління таким способом механічним навантаженням відкривають дорогу до дослідження локальних спотворень речовини. З точки зору хімії ж отримані результати дають інструмент для управління реакційною здатністю і каталітичною активністю на атомарному масштабі.
Вчені постійно намагаються вплинути на хімічні процеси. Наприклад, ми вже розповідали, як вони зробили це за допомогою лазера. А про те, як можна керувати енергією іонізації атомів, поміщаючи їх у фотонний кристал, ми писали в блозі "Менделєєву і не снилося: що може зробити фотонний кристал з енергією іонізації атома ".