At gå med atomer - kemisk bindingsdannelse og -brud registreret i aktion

Lige siden det blev foreslået, at atomer er byggesten i verden, videnskabsmænd har forsøgt at forstå, hvordan og hvorfor de binder sig til hinanden. Det være sig et molekyle (som er en gruppe atomer forbundet på en bestemt måde), eller en blok af materiale eller en hel levende organisme, ultimativt, alt er styret af den måde, atomer binder på, og måden båndene brydes på.

Udfordringen er, at længden af ​​kemiske bindinger er mellem 0,1-0,3 nm, omkring en halv million gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, gør direkte billeddannelse af binding mellem et par atomer vanskelig. Avancerede mikroskopimetoder, såsom atomkraftmikroskopi (AFM) eller scanning tunneling mikroskopi (STM), kan opløse atompositioner og måle bindingslængder direkte, men filmer kemiske bindinger til at bryde eller dannes, med rumlig kontinuitet, i realtid, er stadig en af ​​videnskabens største udfordringer.

Denne udfordring er blevet mødt af et forskerhold fra Storbritannien og Tyskland ledet af professor Ute Kaiser, leder af elektronmikroskopi af materialevidenskab ved University of Ulm, og professor Andrei Khlobystov fra School of Chemistry ved University of Nottingham har de udgivet "Imaging an unsupported metal-metal bond in dirhenium molecules at the atomic scale" i Videnskabens fremskridt , et tidsskrift fra American Association for the Advancement of Science, der dækker alle aspekter af videnskabelige bestræbelser.

Atomer i et nano-reagensglas

Denne gruppe af forskere er kendt for deres banebrydende brug af transmissionselektronmikroskopi (TEM) til at filme 'film' af kemiske reaktioner på enkeltmolekyleniveau, og dynamikken i bittesmå klynger af metalatomer i nanokatalysatorer udnytter kulstofnanorør - atomisk tynde hule kulstofcylindre med diametre på molekylær skala (1-2 nm) som miniaturereagensrør til atomer.

Professor Andrei Khlobystov, sagde:"Nanorør hjælper os med at fange atomer eller molekyler, og at placere dem præcis, hvor vi ønsker. I dette tilfælde fangede vi et par rhenium (Re) atomer bundet sammen for at danne Re2. Fordi rhenium har et højt atomnummer, er det lettere at se i TEM end lettere grundstoffer, giver os mulighed for at identificere hvert metalatom som en mørk prik."

Professor Ute Kaiser, tilføjede:"Da vi afbildede disse diatomiske molekyler ved hjælp af den nyeste kromatiske og sfæriske aberration korrigeret SALVE TEM, vi observerede atomskala-dynamikken af ​​Re2 adsorberet på det grafitiske gitter af nanorøret og opdagede, at bindingslængden ændres i Re2 i en række adskilte trin."

En dobbelt anvendelse af elektronstråle

Gruppen har en rig erfaring med at bruge elektronstråle som et værktøj til dobbelt formål:præcis billeddannelse af atomare positioner og aktivering af kemiske reaktioner på grund af energi, der overføres fra hurtige elektroner i elektronstrålen til atomerne. "To-i-én"-tricket med TEM gjorde det muligt for disse forskere at optage film af molekyler, der reagerede i fortiden, og nu var de i stand til at filme to atomer bundet sammen i Re2 'gående' langs nanorøret i en kontinuerlig video. Dr. Kecheng Cao, Forskningsassistent ved Ulm University, som opdagede dette fænomen og udførte billeddannelseseksperimenterne, sagde:"Det var overraskende tydeligt, hvordan de to atomer bevæger sig i par, tydeligt indikerer et bånd mellem dem. Vigtigt, som Re2 bevæger sig ned ad nanorøret, bindingslængden ændres, hvilket indikerer, at bindingen bliver stærkere eller svagere afhængigt af miljøet omkring atomerne."

At bryde båndet

Efter en periode, atomer af Re2 udviste vibrationer, der fordrejede deres cirkulære former til ellipser og strakte bindingen. Da bindingslængden nåede en værdi, der oversteg summen af ​​atomare radier, bindingen knækkede, og vibrationen ophørte, hvilket indikerer, at atomerne blev uafhængige af hinanden. Lidt senere forenede atomerne sig igen, omdannelse af et Re2-molekyle.

Dr. Stephen Skowron, Postdoktoral forskningsassistent ved University of Nottingham, som udførte beregningerne for Re2-binding, sagde:"Bånder mellem metalatomer er meget vigtige i kemi, især for at forstå magnetiske, elektronisk, eller materialers katalytiske egenskaber. Det, der gør det udfordrende, er, at overgangsmetaller, såsom Re, kan danne bånd af forskellig rækkefølge, fra enkelt- til femdobbelte obligationer. I dette TEM-eksperiment observerede vi, at de to rheniumatomer hovedsageligt er bundet gennem en firdobbeltbinding, giver ny grundlæggende indsigt i overgangsmetalkemi."

Elektronmikroskop som et nyt analyseværktøj for kemikere

Andrei Khlobystov, sagde:"Så vidt vi ved, det er første gang, hvor bindingsudviklingen, brud og dannelse blev optaget på film på atomskala. Elektronmikroskopi er allerede ved at blive et analytisk værktøj til at bestemme strukturer af molekyler, især med fremskridtet af den kryogene TEM, der er anerkendt af 2017 Nobelprisen i kemi. Vi skubber nu grænserne for molekylebilleddannelse ud over simpel strukturel analyse, og mod at forstå dynamikken i individuelle molekyler i realtid." Holdet mener, at elektronmikroskopi en dag i fremtiden kan blive en generel metode til at studere kemiske reaktioner, svarende til spektroskopiske metoder, der i vid udstrækning anvendes i kemi laboratorier.