Sinds de opvatting dat atomen de bouwstenen van de wereld zijn, wetenschappers hebben geprobeerd te begrijpen hoe en waarom ze zich aan elkaar hechten. Of het nu een molecuul is (wat een groep atomen is die op een bepaalde manier met elkaar zijn verbonden), of een blok materiaal of een heel levend organisme, uiteindelijk, alles wordt gecontroleerd door de manier waarop atomen zich binden, en de manier waarop banden breken.

De uitdaging is dat de lengte van chemische bindingen tussen 0,1-0,3 nm ligt, ongeveer een half miljoen keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar, waardoor directe beeldvorming van binding tussen een paar atomen moeilijk is. Geavanceerde microscopiemethoden, zoals atomic force microscopie (AFM) of scanning tunneling microscopie (STM), kan atomaire posities oplossen en bindingslengtes direct meten, maar filmen van chemische bindingen om te breken of te vormen, met spatiotemporele continuïteit, live, nog steeds een van de grootste uitdagingen van de wetenschap.

Deze uitdaging is aangegaan door een onderzoeksteam uit het VK en Duitsland onder leiding van professor Ute Kaiser, hoofd van de Electron Microscopy of Materials Science aan de Universiteit van Ulm, en professor Andrei Khlobystov in de School of Chemistry aan de Universiteit van Nottingham hebben ze "Imaging an unsupported metal-metal bond in dirhenium molecules at the aatomic scale" gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , een tijdschrift van de American Association for the Advancement of Science waarin alle aspecten van wetenschappelijke inspanningen worden behandeld.

Atomen in een nano-reageerbuis

Deze groep onderzoekers staat bekend om hun baanbrekende gebruik van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om 'films' van chemische reacties op het niveau van één molecuul te filmen, en dynamica van kleine clusters van metaalatomen in nanokatalysatoren maken gebruik van koolstofnanobuisjes - atomair dunne holle cilinders van koolstof met diameters op moleculaire schaal (1-2 nm) als miniatuurreageerbuisjes voor atomen.

Professor Andrei Chlobystov, zei:"Nanobuizen helpen ons om atomen of moleculen te vangen, en om ze precies te positioneren waar we willen. In dit geval hebben we een paar rhenium (Re) -atomen gevangen die aan elkaar waren gebonden om Re2 te vormen. Omdat rhenium een ​​hoog atoomnummer heeft, is het gemakkelijker te zien in TEM dan lichtere elementen, waardoor we elk metaalatoom kunnen identificeren als een donkere stip."

Professor Ute Kaiser, toegevoegd:"Toen we deze diatomische moleculen in beeld brachten met behulp van de ultramoderne chromatische en sferische aberratie gecorrigeerde SALVE TEM, we observeerden de dynamiek op atomaire schaal van Re2 geadsorbeerd op het grafietrooster van de nanobuis en ontdekten dat de bindingslengte in Re2 verandert in een reeks discrete stappen."

Een dubbel gebruik van elektronenstraal

De groep heeft een rijke staat van dienst in het gebruik van elektronenbundels als hulpmiddel voor tweeledige doeleinden:nauwkeurige beeldvorming van atomaire posities en activering van chemische reacties als gevolg van energie die wordt overgedragen van snelle elektronen van de elektronenbundel naar de atomen. Dankzij de "twee-in-één"-truc met TEM konden deze onderzoekers films opnemen van moleculen die in het verleden reageerden, en nu waren ze in staat om twee aan elkaar gebonden atomen in Re2 te filmen die langs de nanobuis 'lopen' in een continue video. Dr. Kecheng Cao, Onderzoeksassistent aan de Universiteit van Ulm die dit fenomeen ontdekte en de beeldvormende experimenten uitvoerde, zei:"Het was verrassend duidelijk hoe de twee atomen in paren bewegen, duidelijk een band tussen hen aan. belangrijk, terwijl Re2 door de nanobuis beweegt, de lengte van de binding verandert, wat aangeeft dat de binding sterker of zwakker wordt, afhankelijk van de omgeving rond de atomen."

De band verbreken

Na een tijd, atomen van Re2 vertoonden trillingen die hun cirkelvormen vervormden tot ellipsen en de binding uitrekten. Omdat de bindingslengte een waarde bereikte die de som van de atoomstralen overschreed, de verbinding knapte en de vibratie stopte, wat aangeeft dat de atomen onafhankelijk van elkaar werden. Even later kwamen de atomen weer bij elkaar, het hervormen van een Re2-molecuul.

Dr. Stephen Skowron, Postdoctoraal onderzoeksassistent aan de Universiteit van Nottingham die de berekeningen voor Re2-binding heeft uitgevoerd, zei:"Banden tussen metaalatomen zijn erg belangrijk in de chemie, vooral voor het begrijpen van magnetische, elektronisch, of katalytische eigenschappen van materialen. Wat het uitdagend maakt, is dat overgangsmetalen, zoals Re, kan bindingen van verschillende orde vormen, van enkele tot vijfvoudige bindingen. In dit TEM-experiment hebben we waargenomen dat de twee rheniumatomen voornamelijk zijn gebonden via een viervoudige binding, het verstrekken van nieuwe fundamentele inzichten in de chemie van overgangsmetalen."

Elektronenmicroscoop als nieuw analytisch hulpmiddel voor chemici

Andrei Chlobystov, zei:"Voor zover wij weten, dit is de eerste keer dat de evolutie van obligaties, breuk en vorming werd op atomaire schaal op film vastgelegd. Elektronenmicroscopie wordt nu al een analytisch hulpmiddel voor het bepalen van structuren van moleculen, vooral met de opmars van de cryogene TEM erkend door de Nobelprijs voor de Scheikunde van 2017. We verleggen nu de grenzen van de beeldvorming van moleculen voorbij eenvoudige structurele analyse, en om de dynamiek van individuele moleculen in realtime te begrijpen." Het team gelooft dat elektronenmicroscopie in de toekomst een algemene methode kan worden voor het bestuderen van chemische reacties, vergelijkbaar met spectroscopische methoden die veel worden gebruikt in chemielaboratoria.