Experts van het Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC) van de Universiteit van Nottingham hebben een eerste blik geworpen op het privéleven van atomaire clusters.

Nadat ze er al in waren geslaagd om intermoleculaire chemische reacties te 'filmen' - met behulp van de elektronenstraal van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) als een stop-frame imaging-tool, hebben ze nu tijdsopgeloste beeldvorming bereikt van atomaire schaaldynamiek en chemische transformaties gepromoot door metalen nanoclusters. Dit heeft hen in staat gesteld om 14 verschillende metalen te rangschikken, zowel in volgorde van hun binding met koolstof als hun katalytische activiteit, met aanzienlijke variatie in het periodiek systeem der elementen.

Hun laatste werk, 'Vergelijking van de dynamiek op atomaire schaal voor de midden- en late overgangsmetaal-nanokatalysatoren', is gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Andrei Chlobystov, Hoogleraar Nanomaterialen en directeur van nmRC, zei:"Dankzij de recente vooruitgang in microscopie en spectroscopie weten we nu veel over het gedrag van moleculen en atomen. de structuur en dynamiek van clusters van metalen elementen op atomaire schaal blijft een mysterie. De complexe atomaire dynamiek die direct wordt onthuld door beeldvorming in realtime werpt licht op de atomaire werking van nanokatalysatoren."

Bijdrage aan het wereldwijde BBP

De dynamiek op atomaire schaal van metalen nanoclusters bepaalt hun functionele en chemische eigenschappen, zoals katalytische activiteit - hun vermogen om de snelheid van een chemische reactie te verhogen. Veel belangrijke industriële processen zijn momenteel afhankelijk van nanokatalysatoren zoals waterzuivering; brandstofceltechnologieën; energie opslag; en productie van biodiesel.

Professor Khlobystov zei:"Met katalytische chemische reacties die substantieel bijdragen aan het wereldwijde BBP, het begrijpen van het dynamische gedrag van nanoclusters op atomair niveau is een belangrijke en urgente taak. Echter, de gecombineerde uitdaging van niet-uniforme structuren van nanokatalysatoren, bijvoorbeeld verdeling van maten, vormen, kristalfasen - die naast elkaar bestaan ​​in hetzelfde materiaal en hun zeer dynamische aard - nanoclusters ondergaan uitgebreide structurele en, in sommige gevallen, chemische transformaties tijdens katalyse - maakt opheldering van de atomistische mechanismen van hun gedrag vrijwel onmogelijk."

Van single-molecule dynamics tot atomaire clusters

Professor Khlobystov leidde de Anglo-Duitse samenwerking die de impact van de elektronenstraal (e-beam) in de transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) benutte voor het in beeld brengen van de dynamiek van één molecuul. Door de e-beam tegelijkertijd te gebruiken als een beeldvormend hulpmiddel en een energiebron om chemische reacties aan te sturen, slaagden ze erin reacties van moleculen te filmen. Het onderzoek werd vorig jaar gepubliceerd in ACS Nano, een vlaggenschip tijdschrift voor nanowetenschap en nanotechnologie, en geselecteerd als ACS Editor's Choice vanwege het potentieel voor brede publieke belangstelling.

In plaats van laboratoriumkolven of reageerbuisjes, ze gebruiken 's werelds kleinste reageerbuisjes - enkelwandige koolstofnanobuisjes - atomair dunne cilinders van koolstof met een interne diameter van 1-2 nm die sinds 2005 een Guinness World Record hebben.

Een periodiek systeem in een nano-reageerbuis

Professor Khlobystov zei:"We gebruiken deze koolstofnanobuisjes om kleine clusters van chemische elementen te bemonsteren, elk bestaande uit slechts enkele tientallen atomen. Door de nanoclusters van een reeks verwante metalen elementen die we effectief hebben gemaakt in een periodiek systeem in een nano-reageerbuis te vangen, waardoor een globale vergelijking van de chemie van overgangsmetalen in het periodiek systeem mogelijk is. Dit is altijd een enorme uitdaging geweest, omdat de meeste metalen nanoclusters zeer gevoelig zijn voor lucht. De combinatie van de nano-reageerbuis en TEM stelt ons in staat om niet alleen de dynamiek van metalen nanoclusters te bekijken, maar ook hun binding met koolstof die een duidelijk verband laat zien met de positie van het metaal in het periodiek systeem."

Ute Kaiser, Professor in experimentele fysica en leider van de groep elektronenmicroscopie van materiaalkunde aan de Universiteit van Ulm zei:"Aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscopie en de laagdimensionale materialen, zoals nanobuisjes gevuld met metalen nanoclusters, zijn een ideale match voor elkaar omdat ze een effectieve combinatie mogelijk maken van vooruitgang in analytische en theoretische chemie met de nieuwste ontwikkelingen in elektronenmicroscopie, wat leidt tot een nieuw begrip van verschijnselen op atomaire schaal, zoals nanokatalyse in dit werk."

Nanoclusters bekijken in ongekende resolutie

Kecheng Cao, doctoraat student aan de Universiteit van Ulm, die in deze studie beeldanalyse uitvoerde, zei:"Als ik door de microscoop naar atomen kijk, soms stop ik met ademen om de onzichtbare details te zien die we ontdekken voor de nanoclusters op onze nieuw ontwikkelde SALVE III-microscoop die een ongekende resolutie biedt".

Elena Besley, Professor in Theoretische en Computational Chemistry aan de Universiteit van Nottingham zei:"Om in de kleinste bouwstenen van metalen te reiken, deze studie toonde aan dat metalen nanoclusters gevangen in koolstof nano-reageerbuizen een universeel platform bieden voor het bestuderen van organometaalchemie en een directe vergelijking van de binding en reactiviteit van verschillende overgangsmetalen mogelijk maken, evenals opheldering van de structuur-prestatierelatie voor nanokatalysatoren - van vitaal belang voor de ontdekking van nieuwe reactiemechanismen en efficiëntere katalysatoren van de toekomst. Deze studie biedt een eerste kwalitatieve blik op een globaal perspectief van metaal-koolstofbinding."

Deze studie is de laatste in een reeks van meer dan 20 hoogwaardige gezamenlijke papers over het onderwerp elektronenmicroscopie voor moleculen en nanomaterialen, gepubliceerd door de Ulm-Nottingham-samenwerking.