Химики впервые коснулись атомов водорода

По современным представлениям, из водорода состоит 75 процентов барионной материи, что делает его наиболее распространенным химическим элементом. Благодаря чрезвычайно высокой реакционной способности водород может формировать ковалентные связи почти со всеми неметаллами, в частности углеродом и кислородом. Изучение этих свойств важно для понимания эволюции Вселенной, а также промышленности и медицины. Однако существующие способы выявления водорода в молекулах ограничены. Так, методы кристаллографии и спектроскопии часто не обладают нужной чувствительностью, а сканирующая электронная микроскопия не позволяет «нащупать» атомы непосредственно.

Более точные измерения обеспечивает атомно-силовая микроскопия. В 2015–2016 годах эта техника, с применением CO-модифицированных зондов (напыление монооксида углерода помогает лучше предсказать геометрию молекул), разные группы ученых сделали серию открытий при описании ковалентных связей. Тем не менее, до сих пор речь, как правило, шла о планарных (плоских) молекулах. При их «ощупывании» молекула CO на зонде нередко отклонялась, что в двух случаях (1, 2) даже привело к обнаружению невозможных связей. Вместо этого авторы новой работы адсобировали на подложку объемные молекулы тринапто[3.3.3]пропеллана (TNP) и трифлуорантено[3.3.3]пропеллана (TFAP) с внешними связями C—H.

При наблюдении сбоку оба типа молекул имели форму трехлопастного воздушного винта с большим (TFAP) или меньшим (TNP) числом атомов водорода. Поскольку высота боковых «лопастей» TNP на 140 пикометров короче высоты центральной, при вертикальной ориентации первые, из-за отрицательного сдвига частоты, казались темнее, а последняя — светлее. При этом на молекулах, лежащих на ребре, авторы могли различить высококонтрастные атомы водорода. Схожая картина наблюдалась для TFAPs, однако для них специфическая самосборка была нехарактерна. Контрастность изображения сильно зависела от расстояния: положительный сдвиг частоты начинался за 100 пикометров до атомов.

Видимое расстояние между атомами несколько превышало расчетное — 300 пикометров вместо 246 пикометров, что может отражать специфику изучения объемных молекул. Расчетный валентный угол также приближался к наблюдаемому — 60 и 55 градусов соответственно. Для проверки данных авторы провели механическое моделирование «ощупывания». Анализ подтвердил первичные результаты, а также показал, что максимальная сила межатомного взаимодействия между атомами водорода составляет -40 пиконьютонов. Таким образом, ученым удалось непосредственно и достоверно определить «прочность» водородных связей: она была выше ван-дер-ваальсовых и значительно слабее ионных.

Статья опубликована в журнале Science Advances.

Ранее американские ученые обнаружили новую, седьмую степень окисления плутония. Помимо фундаментальной ценности, открытие может помочь в разработке перспективных способов модуляции процессов окисления и электронной структуры атомов.