Virtuálne laboratórium
Ivan Štich, Fyzikálny ústav Slovenskej akadémie vied
V našom každodennom živote nás obklopujú rôzne materiály, kovy, plasty, drevo, atď. Tieto materiály vnímame na dĺžkach obvykle od centimetrov po metre. Existuje aj iný typ materiálového inžinierstva, nanotechnológie, ktoré sa odohrávajú na oveľa menších, tzv. nanometrových škálach, 10-9 m, t.j. na atomárnych škálach. Atomárne škály sú dnes pomerne rutínne dostupné použitím niektorých mikroskopov, akým je aj atomárny silový mikroskop, ktorý meria silu medzi hrotom mikroskopu vzorkou. Pri naložení elektrického napätia je tento mikroskop možné použiť aj na manipuláciu náboja individuálnych atómov a molekúl na povrchu s jednoelektrónovou presnosťou.
Paralelne s laboratórnymi manipuláciami na atomárnej úrovni je obvykle nutné previesť aj počítačové simulácie, nakoľko často až tieto odhalia fyzikálne a chemické procesy, ktoré v experimente prebehli. Vzhľadom na atomárnu škálu na ktorej mikroskop pôsobí takéto virtuálne nanolaboratórium musí obvykle riešiť fundamentálne rovnice atomárneho sveta, t.j. tzv. Schrödingerovu rovnicu, ktorá popisuje správanie sa elektrónov ako jedného z hlavných stavebných kameňov atómu. Toto je obvykle veľmi komplikované a zvládnu to len superpočítače s kapacitou PFLOPov (tisíc triliónov operácií za sekundu).
Ukážeme si príklad jedného takéhoto laboratórneho experimentu a jeho modelovania. Na Obr. 1 sú experimentálne obrazy atómov kyslíka z atomárneho silového mikroskopu deponované na povrchu TiO2, ktoré na ňom môžu vytvárať páry atómov. Na tomto povrchu je pre atómy kyslíkavýhodné prijať 2 elektróny, t.j. vytvoriť pár dvojnásobne nabitých atómov Oad2- – Oad2-, Obr. 1(a), ktoré majú nižšiu energiu ako jednonásobne nabité atómy, Oad – – Oad -, Obr. 2 (d). Tieto energie sú výsledkom počítačového modelovania a zistiť ich priamo experimentálne nie je jednoduché. Atomárny silový mikroskop môže manipulovať náboje atómov kyslíka a umelo vytvoriť inak nabité páry, napr. jednonásobne nabité, Oad – – Oad -, Obr. 1 (b), alebo ich kombináciu, Oad2- – Oad2-, Obr. 1 (c), ktoré majú výrazne vyššie energie, Obr. 2 (d). Počítačové modelovanie umožňuje priame overenie tejto interpretácie aj priamou simuláciou obrazu rôzne nabitých atómov kyslíka v atomárnom silovom mikroskope, Obr. 1 (d-f) a porovnaním s experimentom, Obr. 1 (a-c).
Ako je ukázané na Obr. 2, atomárny silový mikroskop okrem náboja dokáže manipulovať, t.j. vytvárať a rušiť, aj chemické väzby medzi atómami na povrchoch. Ak mikroskop z dvojice atómov Oad2- – Oad2-, odoberie dva elektróny, prinúti tieto dva atómy vytvoriť chemickú väzbu a zreagovať na peroxid, O2 2-, pričom táto reakcia je reverzibilná, Obr. 2 (c). To, že táto interpretácia je správna, je možné opäť overiť počítačovými simuláciami, Obr. 2 (d). Ak mikroskopom z páru atómov Oad 2- – Oad 2-, odobratím dvoch elektrónov vytvoríme pár Oad – – Oad -, je pre neho energeticky výhodnejšie vytvoriť molekulu peroxidu, Obr. 2 (d). Naopak, pridaním dvoch elektrónov do molekuly peroxidu vytvoríme molekulu O2 4-, ktorá je nestabilná a okamžite sa transformuje na Oad2- – Oad2-, pričom tieto manipulácie sú reverzibilné. Tieto manipulácie otvárajú cestu k chemickým reakciám plne riadenými manipuláciou náboja pomocou atomárneho silového mikroskopu.
Obr. 1.
Atómy kyslíka v rôznych nábojových stavoch na povrchu TiO2.
(a-c) obrazy získané experimentálne z atomárneho silového mikroskopu a pomocou počítačových simulácií (d-f).
Obr. 2.
Reverzibilná manipulácia nabitých atómov kyslíka do molekuly peroxidu (a-c).
Energie spočítané pomocou počítačových simulácií (d).
Šípky označujú reverzibilné manipulačné procesy vedúce k reakcii atómov kyslíka na molekulu.
