Er zijn meerdere manieren om twee- en driedimensionale modellen van atomen en moleculen te maken. Met de komst van geavanceerde apparaten die monsters op atomaire schaal kunnen afbeelden, ontdekten wetenschappers dat traditionele moleculaire modellen niet pasten bij de beelden die ze zagen. Onderzoekers hebben een betere manier bedacht om moleculen te visualiseren die voortbouwen op deze traditionele methoden. Hun modellen passen goed bij de beeldgegevens die ze verwerven, en ze hopen dat de modellen daarom scheikundigen kunnen helpen met hun intuïtie voor het interpreteren van moleculaire beelden.

Iedereen die dit leest, is waarschijnlijk bekend met traditionele ball-and-stick-modellen van atomen en moleculen, waarbij ballen van verschillende grootte en kleur de verschillende atoomkernen vertegenwoordigen, en de sticks vertegenwoordigen eigenschappen van de bindingen tussen atomen. Hoewel dit nuttige leermiddelen zijn, zijn ze veel eenvoudiger dan de realiteit die ze weerspiegelen. Chemici hebben de neiging om modellen te gebruiken zoals het Corey-Pauling-Koltun (CPK) -model, dat vergelijkbaar is met het bal-en-stokmodel, maar met de ballen opgeblazen zodat ze elkaar overlappen. Het CPK-model vertelt scheikundigen meer over de manier waarop componenten van een molecuul veel beter op elkaar inwerken dan het ball-and-stick-model.

In de afgelopen jaren is het eindelijk mogelijk geworden om niet alleen de structuren van moleculen vast te leggen, maar zelfs hun beweging en interacties in video's vast te leggen dankzij technologieën zoals transmissie-elektronenmicroscopie met atomaire resolutie (AR-TEM). Dit wordt soms 'filmische moleculaire wetenschap' genoemd. Het is echter met deze sprong in ons vermogen om het onzichtbare te visualiseren dat de ball-and-stick of CPK-modellen eerder een belemmering dan een hulp worden. Toen onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Tokyo probeerden deze modellen te passen bij de beelden die ze zagen, kwamen ze tegen een aantal problemen aan.

"Het ball-and-stick-model is veel te eenvoudig om nauwkeurig te beschrijven wat er werkelijk aan de hand is in onze beelden", zegt professor Koji Harano. "En het CPK-model, dat technisch de verspreiding van de elektronenwolk rond een atoomkern laat zien, is te dicht om enkele details te onderscheiden. De reden is dat geen van beide modellen de ware grootte van atomen laat zien die afbeeldingen van AR-TEM laten zien. "

In AR-TEM-afbeeldingen correleert de grootte van elk atoom rechtstreeks met het atoomgewicht van dat atoom, eenvoudigweg bekend als Z. Dus professor Eiichi Nakamura en zijn team kozen ervoor om een ​​bal-en-stokmodel aan te passen aan hun afbeeldingen, waarbij elke kern in het model werd gedimensioneerd volgens het Z-nummer van de kern die het vertegenwoordigt, en noemde het Z-gecorreleerd (ZC) moleculair model. Ze behielden hetzelfde kleursysteem dat werd gebruikt in het CPK-model, oorspronkelijk geïntroduceerd door de Amerikaanse chemici Robert Corey en Linus Pauling in 1952.

"Een beeld zegt meer dan duizend woorden, en je kunt AR-TEM-beelden vergelijken met de allereerste foto van een zwart gat", zegt Nakamura. "Ze laten allebei de realiteit zien zoals nooit tevoren, en beide zijn veel minder duidelijk dan hoe mensen zich waarschijnlijk voorstellen dat die dingen eruit zouden moeten zien. Daarom zijn modellen zo belangrijk, om de kloof tussen verbeelding en realiteit te overbruggen. We hopen dat de Z-gecorreleerde moleculaire model zal scheikundigen helpen bij het analyseren van elektronenmicroscoopbeelden op basis van intuïtie zonder zelfs maar de noodzaak van enige theoretische berekeningen, en een nieuwe wereld van 'filmische moleculaire wetenschap' openen.'

De studie is gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences . + Verder verkennen

Baanbrekende visualisatie van atoombewegingen