Sinds het bestaan ​​van moleculen is bewezen en moleculaire reacties zijn voorspeld, mensen hebben visueel willen observeren hoe dergelijke gebeurtenissen verlopen. Dergelijke waarnemingen van reacties van één molecuul zijn van groot belang voor het fundamentele begrip van de chemische wetenschappen, die zouden helpen bij de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren, materialen, of medicijnen, en ons helpen de complexe biochemische processen te ontcijferen. Echter, dit was lange tijd niet mogelijk in de moderne scheikunde, en tot nu toe werd de informatie over dynamische processen op nanometerschaal alleen verkregen via indirecte methoden omdat moleculen te klein waren om te visualiseren.

Recente bevindingen van de onderzoekers van het Center for Nanomedicine binnen het Institute for Basic Science, Zuid-Korea, samen met onderzoekers uit Japan en Duitsland heeft dit misschien net veranderd. De groep observeerde met succes de bottom-up synthese van fullereen C60, dat is een allotroop van koolstof die lijkt op een voetbal, en produceerde een videobeeld dat het proces detailleert met behulp van real-time elektronenmicroscopie met atomaire resolutie (SMART-EM) met één molecuul. Dit werd mogelijk gemaakt met de komst van aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en de vaststelling van de voorwaarden voor het oplossen van objecten van subnanometerformaat, zoals moleculen en zelfs enkele atomen.

In hun experiment hebben werkten de onderzoekers met een op maat gemaakt truxeenderivaat (C60H30), die de vorm heeft van een platgeperste voetbal als uitgangsmateriaal. Voor de TEM-waarneming, de truxeen werd gefixeerd op een monolaag van grafeen, die voorkomt dat het molecuul een snelle translatie over het oppervlak of zelfs het losraken in het vacuüm ondergaat. Door de isolatie van een enkel molecuul op het oppervlak, ze waren in staat om dynamische processen te bestuderen zonder de interferentie van andere moleculen. Dit platte 2-dimensionale materiaal werd vervolgens bestraald met een hoogenergetische elektronenbundel van maximaal 80, 000 V, die honderden keren groter is dan de spanning in de huishoudelijke stopcontacten.

Wat gebeurt er met het molecuul als het wordt blootgesteld aan zo'n krachtige elektronenstraal? Als het molecuul de regels van de klassieke leerboeken over organische chemie volgt, de extreme toestand zou het truxeen dwingen zijn waterstofatomen te verliezen door een proces dat bekend staat als cyclodehydrogenering, waardoor de resterende koolstofatomen in het molecuul zich opvouwen tot een bolvorm (Figuur 1). Maar als hoge energiebanen domineren, een onvoorspelbare ontbinding, tot de volledige verneveling van het molecuul, het resultaat zou zijn.

Door de werkelijke TEM-afbeeldingen uitgebreid te correleren met die van gesimuleerde modellen (Figuur 2), de onderzoekers ontdekten dat het truxeenmolecuul aanvankelijk een kinetisch en thermodynamisch gecontroleerde cyclodehydrogeneringsreactie ondergaat. De TEM-waarnemingen onthulden dat de reactieroute plaatsvindt via thermodynamisch favoriete tussenproducten via schijnbaar klassieke organische reactiemechanismen, die werden geïdentificeerd en vastgelegd op video. Dus, ze toonden aan dat de elektronenstraal kinetische energie overbrengt naar de kernen en de trillingstoestanden van het molecuul opwekt, die het molecuul voldoende energie geeft om chemische reacties te ondergaan. belangrijk, er werd gevonden dat de dwarsdoorsnede (waarschijnlijkheid) voor de conventionele chemische route groter is dan die voor de destructieve splitsing van de C-H-binding.

Deze bevindingen beschrijven voor het eerst de real-space en real-time analyse van een discrete molecuul-naar-molecuul transformatie, vastgelegd op video. Deze observatie in de ruimte van een discrete chemische reactie is een mijlpaal in de chemische wetenschappen en zal leiden tot een dieper begrip van de fundamentele chemische processen op nanoschaal. Identificatie van de belangrijkste tussenproducten onthulde ook nieuwe inzichten in door elektronenbundels aangestuurde reacties. De onderzoekers zijn van plan om de volledige reikwijdte van de SMART-EM-techniek te verkennen door deze toe te passen op grotere systemen, zoals de analyse van vloeibare media. Dit zal het onderzoek op het gebied van nanomaterialenchemie tot biomedische wetenschappen verder bevorderen, waar het begrip van straal-materie interacties van het grootste belang is. De inzichten die in deze studies zijn opgedaan, zullen ook helpen bij het ontwerpen van nieuwe strategieën om nanomaterialen te synthetiseren met behulp van elektronenstraallithografie.