Когда предметы вибрируют, они издают звуки. Молекулы тоже вибрируют, но на частотах, которые человеческое ухо не способно уловить. Их химические связи растягиваются, изгибаются и скручиваются с характерными скоростями, соответствующими инфракрасному диапазону электромагнитного спектра. Инфракрасную спектроскопию, фиксирующую, как свет возбуждает эти колебания, любят сравнивать с тем, что мы «подслушиваем» голос самой молекулы.

У каждой молекулы есть свой неповторимый тембр — вибрационный «отпечаток пальца», который отражает не только её химическое строение, но и наноразмерную среду, её окружающую. Однако голоса отдельных молекул настолько слабы, что традиционная инфракрасная спектроскопия способна уловить лишь хоровое пение миллионов или даже миллиардов молекул одновременно.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Шаовея Ли нашли способ услышать соло одной молекулы. Они используют метод, который называют инфракрасно-интегрированным сканирующим туннельным микроскопом (IRiSTM). В нём сочетается инфракрасное оптическое возбуждение и сканирующая туннельная микроскопия — техника, известная по способности визуализировать отдельные атомы и молекулы благодаря измерению квантового туннелирования электронов между острым металлическим наконечником и поверхностью.

Химики десятилетиями мечтали управлять реакциями, точечно вкладывая энергию в единую химическую связь и направляя молекулу по заранее заданному пути. Инфракрасная спектроскопия одной-единственной молекулы делает эту мечту на один шаг ближе к реальности.

«Инфракрасная спектроскопия — один из наших самых мощных инструментов, но до сих пор она всегда была комплексным методом, — говорит доцент кафедры химии Шаовей Ли. — Теперь мы можем увидеть на самом фундаментальном уровне, как энергия вибраций связана с движением молекул».