Billeddannelse i realtid af dynamiske atom-atom-interaktioner

I et gennembrud har Tokyo Tech-forskere formået at observere og karakterisere dynamisk samling af metalliske atomer ved hjælp af en genial kombination af scanningstransmissionselektronmikroskopi og en videobaseret sporing. Ved at visualisere kortlivede molekyler, såsom metalliske dimerer og trimerer, der ikke kan observeres ved hjælp af traditionelle metoder, åbner forskerne muligheden for at observere flere sådanne dynamiske strukturer forudsagt ved simuleringer.

Kemi er studiet af bindingsdannelse (eller dissociation) mellem atomer. Viden om, hvordan kemiske bindinger dannes, er i virkeligheden fundamental for ikke bare hele kemien, men også områder som materialevidenskab. Traditionel kemi har dog stort set været begrænset til studiet af stabile forbindelser. Studiet af dynamisk samling mellem atomer under en kemisk reaktion har fået lidt opmærksomhed. Med de seneste fremskridt inden for beregningskemi er dynamiske, kortlivede strukturer imidlertid blevet vigtigere. Eksperimentel observation og karakterisering af forudsagt dynamisk binding mellem atomer, såsom dannelsen af ​​metalliske dimerer, kan åbne op for nye forskningsgrænser inden for kemi og materialevidenskab.

At observere denne bindingsdynamik kræver imidlertid også udvikling af en ny metode. Dette skyldes, at konventionelle karakteriseringsteknikker kun giver en tidsgennemsnitlig strukturel information og derfor er utilstrækkelige til at observere bindingerne, efterhånden som de dannes.

På denne baggrund har forskere fra Japan under ledelse af lektor Takane Imaoka fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) nu leveret en genial løsning. I deres undersøgelse offentliggjort i Nature Communications , holdet brugte en kombination af videosporing og en teknik kaldet "ringformet mørk felt scanning transmission elektronmikroskopi" (ADF-STEM) til at udføre sekventiel billeddannelse af forskellige metalatomer, der interagerer med hinanden. Dette gjorde det muligt for dem direkte at observere forbigående strukturer, der er et resultat af en samling af to ens atomer (homometalliske dimerer), to forskellige atomer (heterometalliske dimerer) og tre forskellige atomer (heterometalliske trimerer).

Holdet begyndte med at deponere atomer af atomer af guld (Ag), sølv (Ag) og kobber (Cu) på en grafen nanoplade ved hjælp af en metode kaldet "arc-plasma deposition." For at sikre, at nok isolerede enkeltatomer var tilgængelige, blev aflejringen begrænset til ca. 0,05-0,015 monolag, og observationer med høj forstørrelse blev udført på de flade områder af grafensubstratet.

"Den elementære identifikation af atomerne var tilgængelig med realtidssporing af de bevægelige atomer, mens ADF-STEM gjorde det muligt at observere atomerne under elektrondosis. Dette hjalp os med at undgå høje strømtætheder, der typisk er nødvendige for enkeltatomsanalyse, hvilket kan forårsage materiel skade," forklarer Dr. Imaoka.

Derudover viste ADF-STEM-billeddannelse en ekstrem høj atomdiskrimineringsnøjagtighed, der spænder fra 98,7% for Au-Ag til 99,9% for Au-Cu-par. Andre parringer viste også lignende niveauer af diskrimination. Desuden var holdet også i stand til at observere Au-Ag-Cu, en ekstremt kortlivet hetero-metallisk trimer.

"Selvom vores snapshots ikke stemte helt overens med de strukturer, der blev forudsagt af teoretiske beregninger, er de gennemsnitlige bindingslængder mellem elementerne i de observerede strukturer i god overensstemmelse med beregningerne," siger Dr. Imaoka.

Resultaterne af denne undersøgelse kan føre til hurtige udviklinger inden for nanovidenskab, hvor karakteriseringen af ​​metalklynger og subnanopartikler får større betydning, og i processen åbner døre til et helt nyt stofområde. + Udforsk yderligere

Ny molekylær billeddannelsesteknik kaster komplekse koordinationsmolekyler i et nyt lys