Диэнай
Pulsing
Впервые исследователи успешно зафиксировали и изобразили связь между атомами с помощью сложных методов микроскопии. Команда эффективно запечатлела момент разрыва и формирования химической связи, размер которой примерно в полмиллиона раз меньше толщины одной пряди человеческого волоса.
Изображение предоставлено: Университет Ноттингема
С тех пор, как было высказано предположение, что атомы являются строительными блоками в мире, исследователи пытаются выяснить, почему и как атомы связаны друг с другом.
Будь то материальный блок, молекула (которая относится к группе атомов, связанных определенным образом) или целый живой организм, все в конечном итоге регулируется тем, как происходит связь между атомами, и тем, как разрыв химических связей.
Основная трудность заключается в том, что химические связи имеют длину всего 0,1-0,3 нм, то есть примерно в полмиллиона раз меньше толщины одного человеческого волоса. В результате трудно непосредственно изобразить связь, которая происходит между двумя атомами.
Сложные методы микроскопии, такие как сканирующая туннельная микроскопия (STM) или атомно-силовая микроскопия (AFM), могут разрешать положения атомов и непосредственно количественно определять длину химических связей. Однако отображение разрыва или образования химических связей в реальном времени с пространственно-временной преемственностью продолжает оставаться одной из самых больших проблем науки.
Эта проблема была решена группой исследователей из Германии и Великобритании во главе с Уте Кайзером, профессором и руководителем отдела электронной микроскопии материаловедения в Ульмском университете, а также с Андреем Хлобыстовым, профессором Школа химии в Ноттингемском университете.
Исследователи опубликовали статью под названием «Отображение неподдерживаемой связи металл-металл в молекулах дирхения в атомном масштабе» в Science Advances – журнале Американской ассоциации развития науки, охватывающем все аспекты научной деятельности.
Атомы в нано-пробирке
Исследовательская группа известна своим новаторским применением просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) для пленок «фильмов» о химических реакциях на уровне одной молекулы и для отображения динамики очень малых групп атомов металлов в нанокатализаторах, которые используют углеродные нанотрубки. .
Углеродные нанотрубки представляют собой полые и атомно тонкие углеродные цилиндры, которые имеют диаметры в молекулярном масштабе, то есть от 1 до 2 нм, в виде крошечных пробирок для атомов.
По словам профессора Андрея Хлобыстова, « нанотрубки помогают нам ловить атомы или молекулы и располагать их именно там, где мы хотим. В этом случае мы поймали в ловушку пару атомов рения (Re), связанных вместе с образованием Re 2 . Поскольку рений имеет высокий атомный номер, его легче увидеть в ПЭМ, чем в более легких элементах, что позволяет нам идентифицировать каждый атом металла как темную точку . »
Когда мы визуализировали эти двухатомные молекулы с помощью современного SALVE TEM с поправкой на хроматические и сферические аберрации, мы наблюдали динамику атомного масштаба Re 2 адсорбированного на графитовой решетке нанотрубки и обнаружили, что длина связи меняется в Re 2 в серии дискретных шагов .
Уте Кайзер, профессор и руководитель отдела электронной микроскопии материаловедения Ульмского университета
Двойное использование электронного пучка
Исследователи имеют отличную историю использования электронного пучка в качестве инструмента двойного назначения – для точного отображения положения атомов и активации химических реакций, вызванных передачей энергии от быстро движущихся электронов электронного пучка к атомы.
Используя трюк «два в одном» с техникой TEM, ученым удалось запечатлеть фильмы молекул, которые реагировали ранее. В настоящее время команда сняла пару из двух атомов, которые связаны вместе в Re 2 «идущем» вдоль нанотрубки в непрерывном видео.
Было удивительно ясно, как два атома движутся парами, что ясно указывает на связь между ними. Важно отметить, что при перемещении Re2 вниз по нанотрубке длина связи изменяется, что указывает на то, что связь становится сильнее или слабее в зависимости от среды вокруг атомов .
Д-р Кеченг Цао, научный сотрудник Ульмского университета
Цао обнаружил это явление и провел эксперименты с изображениями.
Разорвать связь
Через некоторое время у атомов Re 2 появились вибрации, которые искажали их круглые формы на эллипсы, вызывая растяжение связи. Когда длина связи достигает значения, которое превышает сумму радиусов атомов, связь разрывается и вибрация прекращается, что свидетельствует о том, что атомы больше не зависят друг от друга. Через короткий промежуток времени атомы снова соединяются и воссоздают молекулу Re 2 .
По словам доктора Стивена Сковрона, научного сотрудника в Ноттингемском университете, « Связи между атомами металлов очень важны в химии, особенно для понимания магнитных, электронных или каталитических свойств материалов. Сложно то, что переходные металлы, такие как Re, могут образовывать связи разного порядка, от одинарных до пятикратных . »
Скоурон продолжил: « В этом эксперименте ПЭМ мы наблюдали, что два атома рения связаны главным образом через четырехкратную связь, обеспечивая новое фундаментальное понимание химии переходных металлов ».
Сковрон выполнил расчеты для соединения Re 2 .
Электронный микроскоп как новый аналитический инструмент для химиков
Насколько нам известно, это первый случай, когда эволюция, разрыв и образование связей были записаны на пленке в атомном масштабе. Электронная микроскопия уже становится аналитическим инструментом для определения структур молекул, особенно с развитием криогенного ПЭМ, признанного Нобелевской премией по химии 2017 года .
Андрей Хлобыстов, профессор Химического факультета Ноттингемского университета
Хлобыстов продолжил: « Сейчас мы раздвигаем границы визуализации молекул за пределы простого структурного анализа и к пониманию динамики отдельных молекул в реальном времени ».
Исследователи полагают, что в ближайшие дни электронная микроскопия может оказаться общим методом исследования химических реакций, аналогичным спектроскопическим методам, которые широко используются в области химии.
Видео предоставлено: Ноттингемский университет
Источник: https://www.nottingham.ac.uk/