Fødslen af ​​en subnanometer-størrelse fodbold

Lige siden eksistensen af ​​molekyler blev bevist og molekylære reaktioner blev forudsagt, mennesker har ønsket visuelt at observere, hvordan sådanne begivenheder forløber. Sådanne observationer af enkeltmolekylereaktioner er meget vigtige for den grundlæggende forståelse af kemiske videnskaber, som ville hjælpe med udviklingen af ​​nye katalysatorer, materialer, eller stoffer, og hjælpe os med at tyde de komplekse biokemiske processer. Imidlertid, dette var ikke muligt i længst tid i moderne kemi, og indtil videre er informationen om dynamiske processer på nanometerskalaen kun opnået fra indirekte metoder, fordi molekyler var for små til at blive visualiseret.

Nylige resultater fra forskerne ved Center for Nanomedicin i Institut for Grundvidenskab, Sydkorea, sammen med forskere fra Japan og Tyskland har måske netop ændret dette. Gruppen observerede med succes bottom-up syntesen af ​​fulleren C60, som er en allotrop af kulstof, der ligner en fodbold, og producerede et videobillede, der beskriver processen ved hjælp af enkelt-molekyle atomopløsning i realtid elektronmikroskopi (SMART-EM). Dette blev gjort muligt med fremkomsten af ​​aberrationskorrigeret transmissionselektronmikroskopi (TEM) og etableringen af ​​betingelserne for at løse subnanometer-størrelse objekter såsom molekyler og endda enkelte atomer.

I deres eksperiment, forskerne arbejdede med et skræddersyet truxenderivat (C60H30), som har form af en fladpresset fodbold som udgangsmateriale. Til TEM-observationen, truxenen blev fikseret på et grafen monolag, som forhindrer molekylet i at gennemgå hurtig translation over overfladen eller endda løsrivelse ind i vakuumet. Gennem isolering af et enkelt molekyle på overfladen, de var i stand til at studere dynamiske processer uden indblanding fra andre molekyler. Dette flade 2-dimensionelle materiale blev derefter bestrålet med en meget energisk elektronstråle på op til 80, 000 V, hvilket er hundredvis af gange større end den spænding, der findes i husstandens stikkontakter.

Hvad sker der med molekylet, hvis det udsættes for en så kraftig elektronstråle? Hvis molekylet følger reglerne i lærebøger om klassisk organisk kemi, den ekstreme tilstand ville tvinge truxen til at miste sine hydrogener ved en proces kendt som cyclodehydrogenering, hvilket får de resterende kulstofatomer i molekylet til at folde sig sammen til en sfærisk form (figur 1). Men hvis højenergiveje dominerer, en uforudsigelig nedbrydning, op til fuldstændig forstøvning af molekylet, ville være resultatet.

Ved i vid udstrækning at korrelere de faktiske TEM-billeder med billederne af simulerede modeller (figur 2), forskerne fandt ud af, at truxenmolekylet i første omgang gennemgår en kinetisk og termodynamisk styret cyclodehydrogeneringsreaktion. TEM-observationerne afslørede, at reaktionsvejen sker via termodynamisk begunstigede nøglemellemprodukter gennem tilsyneladende klassiske organiske reaktionsmekanismer, som blev identificeret og optaget på video. Dermed, de viste, at elektronstrålen overfører kinetisk energi til kernerne og exciterer molekylets vibrationstilstande, hvilket giver molekylet tilstrækkelig energi til at gennemgå kemiske reaktioner. Vigtigt, det blev fundet, at tværsnittet (sandsynligheden) for den konventionelle kemiske vej er større end for den destruktive C-H-bindingsspaltning.

Disse resultater beskriver for første gang real-space og real-time analyse af en diskret molekyle-til-molekyle transformation, optaget på video. Denne observation i det virkelige rum af en diskret kemisk reaktion er en milepæl inden for kemiske videnskaber og vil føre til en dybere forståelse af de grundlæggende kemiske processer på nanoskalaen. Identifikation af nøglemellemprodukterne afslørede også ny indsigt i elektronstråledrevne reaktioner. Forskerne planlægger at udforske det fulde omfang af SMART-EM-teknikken ved at anvende den på større systemer, såsom analyse af flydende medier. Dette vil yderligere fremme forskningen inden for områder lige fra nanomaterialekemi til biomedicinske videnskaber, hvor forståelsen af ​​stråle-stof interaktioner er af yderste vigtighed. Indsigten opnået i disse undersøgelser vil også hjælpe med at designe nye strategier til at syntetisere nanomaterialer ved hjælp af elektronstrålelitografi.