Kigger ind i privatlivet med atomklynger – ved hjælp af verdens mindste reagensglas

Eksperter i Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC) ved University of Nottingham har taget et første højdepunkt i atomklyngernes private liv.

Efter at have allerede haft succes med at 'filme' intermolekylære kemiske reaktioner – ved at bruge elektronstrålen fra et transmissionselektronmikroskop (TEM) som et stop-frame billeddannelsesværktøj, har de nu opnået tidsopløst billeddannelse af dynamik og kemiske transformationer på atomare skala fremmet af metal nanoklynger. Dette har gjort det muligt for dem at rangere 14 forskellige metaller både efter deres binding til kulstof og deres katalytiske aktivitet, viser betydelig variation på tværs af grundstoffernes periodiske system.

Deres seneste arbejde, 'Sammenligning af dynamik i atomær skala for nanokatalysatorer for mellem- og senovergangsmetal', er udgivet i Naturkommunikation . Andrei Khlobystov, Professor i nanomaterialer og direktør for nmRC, sagde:"Takket være de seneste fremskridt inden for mikroskopi og spektroskopi ved vi nu en hel del om opførsel af molekyler og atomer. Men, strukturen og dynamikken af ​​klynger af metalelementer i atomare skala forbliver et mysterium. Den komplekse atomdynamik, der afsløres direkte ved billeddannelse i realtid, kaster lys over nanokatalysatorers atomistiske virkemåde."

Bidrag til globalt BNP

Atomskala dynamik af metal nanoclusters bestemmer deres funktionelle og kemiske egenskaber såsom katalytisk aktivitet - deres evne til at øge hastigheden af ​​en kemisk reaktion. Mange vigtige industrielle processer er i øjeblikket afhængige af nanokatalysatorer såsom vandrensning; brændselscelleteknologier; energilagring; og produktion af biodiesel.

Professor Khlobystov sagde:"Med katalytiske kemiske reaktioner, der bidrager væsentligt til det globale BNP, at forstå nanoklyngernes dynamiske adfærd på atomniveau er en vigtig og presserende opgave. Imidlertid, den kombinerede udfordring af uensartede strukturer af nanokatalysatorer - f.eks. fordeling af størrelser, former, krystalfaser - der eksisterer side om side i det samme materiale og deres meget dynamiske natur - nanoclusters gennemgår omfattende strukturelle og, i nogle tilfælde, kemiske transformationer under katalyse - gør belysning af de atomistiske mekanismer for deres adfærd praktisk talt umulig."

Fra enkelt-molekyle dynamik til atomare klynger

Professor Khlobystov ledede det engelsk-tyske samarbejde, der udnyttede virkningen af ​​elektronstrålen (e-beam) i transmissionselektronmikroskopi (TEM) til billeddannelse af enkelt-molekyle dynamik. Ved at bruge e-strålen samtidigt som et billeddannende værktøj og en energikilde til at drive kemiske reaktioner lykkedes det dem at filme reaktioner af molekyler. Forskningen blev offentliggjort sidste år i ACS Nano, et flagskibsblad for nanovidenskab og nanoteknologi, og valgt som ACS Editor's Choice på grund af dets potentiale for bred offentlig interesse.

I stedet for laboratoriekolber eller reagensglas, de anvender verdens mindste reagensglas – enkeltvæggede kulstofnanorør – atomisk tynde kulstofcylindre med indvendige diametre på 1-2 nm, der har haft en Guinness verdensrekord siden 2005.

Et periodisk system i et nano-reagensglas

Professor Khlobystov sagde:"Vi bruger disse kulstof nanorør til at prøve små klynger af kemiske elementer, hver kun bestående af nogle få snesevis af atomer. Ved at indfange nanoklyngerne i en række beslægtede metalelementer skabte vi effektivt i et periodisk system i et nano-reagensglas, muliggør en global sammenligning af kemi af overgangsmetaller på tværs af det periodiske system. Dette har altid været ekstremt udfordrende, fordi de fleste metal nanoclusters er meget følsomme over for luft. Kombinationen af ​​nano-reagensglasset og TEM giver os mulighed for at se ikke kun dynamikken i metalnanoklynger, men også deres binding med kulstof, der viser en klar sammenhæng med metallets position i det periodiske system."

Ute Kaiser, Professor i eksperimentel fysik og leder af gruppen for elektronmikroskopi af materialevidenskab ved Ulm University sagde:"Aberrationskorrigeret transmissionselektronmikroskopi og de lavdimensionelle materialer, såsom nanorør fyldt med metal nanoklynger, er et ideelt match for hinanden, fordi de tillader en effektiv kombination af fremskridt inden for analytisk og teoretisk kemi med den seneste udvikling inden for elektronmikroskopi, fører til ny forståelse af fænomener på atomskala, såsom nanokatalyse i dette arbejde."

Ser nanoklynger i hidtil uset opløsning

Kecheng Cao, Ph.D. studerende ved Ulm University, som udførte billedanalyse i denne undersøgelse sagde:"Når jeg ser på atomer gennem mikroskopet, nogle gange holder jeg op med at trække vejret for at se de usynlige detaljer, vi opdager for nanoclusterne på vores nyudviklede SALVE III-mikroskop, der giver en hidtil uset opløsning".

Elena Besley, Professor i teoretisk og beregningsmæssig kemi ved University of Nottingham sagde:"Når man når ind i de mindste byggesten af ​​metaller, denne undersøgelse viste, at metal nanoclusters fanget i carbon nano-reagensglas giver en universel platform til at studere organometallisk kemi og muliggør en direkte sammenligning af bindingen og reaktiviteten af ​​forskellige overgangsmetaller samt belysning af struktur-ydelsesforholdet for nanokatalysatorer - afgørende for opdagelse af nye reaktionsmekanismer og mere effektive fremtidens katalysatorer. Denne undersøgelse giver et første kvalitativt glimt af et globalt perspektiv af metal-carbon-binding."

Denne undersøgelse er den seneste i en række af mere end 20 fælles artikler af høj kaliber om emnet elektronmikroskopi for molekyler og nanomaterialer udgivet af Ulm-Nottingham-samarbejdet.