突破!科學(xué)家首次拍攝到化學(xué)鍵的振動、結(jié)合、斷裂的實時圖像
碳納米管中的錸2分子 圖像:諾丁漢大學(xué)

自從提出原子是世界的基本組成部分以來,科學(xué)家就一直試圖了解它們?nèi)绾我约盀槭裁幢舜?span id="rdyzkbw" class="wpcom_tag_link">結(jié)合。不管是一個分子(是一組以特定方式連接在一起的原子),還是一塊材料或整個生物,最終,一切都由原子間成鍵和斷鍵的方式控制。

挑戰(zhàn)在于化學(xué)鍵的長度在0.1-0.3nm之間,是人頭發(fā)的寬度一百萬分之一,這使得直接成像一對原子之間的鍵變得困難。先進的顯微鏡(例如原子力顯微鏡(AFM)或掃描隧道顯微鏡(STM))可以解析原子位置并直接測量鍵長,但是實時連續(xù)拍攝化學(xué)鍵斷裂和形成,是科學(xué)界的最大挑戰(zhàn)之一。

英國和德國的研究團隊已經(jīng)迎來了這一挑戰(zhàn),由烏爾姆大學(xué)材料科學(xué)電子顯微鏡(Electron Microscopy of Materials Science in the University of Ulm)負責(zé)人烏特·凱澤(Ute Kaiser)教授和諾丁漢大學(xué)化學(xué)學(xué)院(School of Chemistry at the University of Nottingham)的安德烈·赫洛比斯托夫(Andrei Khlobystov)教授領(lǐng)導(dǎo)的小組在《科學(xué)進展》上發(fā)表了“在原子尺度上無支持的Re2金屬-金屬鍵的成像”,這是美國科學(xué)發(fā)展協(xié)會的期刊,涵蓋了科學(xué)工作的所有方面。Re2:是兩個錸原子組成的分子。

納米試管中的原子

這組研究人員以其在透射電子顯微鏡(TEM)方面的開創(chuàng)性應(yīng)用而著稱,該技術(shù)可在單分子水平上記錄化學(xué)反應(yīng)的“運動”影像,并且能夠拍攝利用碳納米管作為納米催化劑,微小金屬原子團的運動。碳納米管-只有一個原子厚度的空心圓柱體,直徑在分子規(guī)模,只有1-2納米。在這里碳納米管作為原子的微型試管。

安德烈·赫洛比斯托夫教授說:“納米管可以幫助我們捕獲原子或分子,并將它們精確定位在我們想要的位置。在這種情況下,我們捕獲了一對鍵合在一起的錸原子形成錸2。因為錸具有高原子量,在TEM中比輕元素更容易看到,這使我們能夠?qū)⒚總€金屬原子識別為一個黑點?!?/p>

烏特·凱澤教授補充說:“當(dāng)我們通過最先進的彩色和球差校正SALVE TEM對這些雙原子分子進行成像時,我們觀察到了吸附在納米管石墨晶格上的錸2的原子尺度運動,并發(fā)現(xiàn)了鍵長在一系列離散步驟中改變”。

突破!科學(xué)家首次拍攝到化學(xué)鍵的振動、結(jié)合、斷裂的實時圖像
兩個較大的黑點。化學(xué)鍵斷鍵的瞬間,這個化學(xué)鍵只有人的頭發(fā)寬度的50萬分之一。

 

電子束的雙重用途

該小組擁有將電子束用作雙重用途的豐富記錄:精確的原子位置成像以及由于能量從電子束的快速電子轉(zhuǎn)移到原子而引起的化學(xué)反應(yīng)。

TEM的“二合一”技巧使這些研究人員能夠記錄過去發(fā)生反應(yīng)的分子的影片,現(xiàn)在,他們能夠連續(xù)拍攝由化學(xué)鍵形成的錸2沿著納米管“行走”的鏡頭。

烏爾姆大學(xué)研究助理Kecheng Cao博士發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象并進行了成像實驗,他說:“令人驚訝的是,清楚的記錄了兩個原子如何成對運動,清楚地表明了它們之間的鍵。重要的是,當(dāng)錸2沿著納米管向下移動時,鍵長會改變。

打破化學(xué)鍵

一段時間后,錸2的原子表現(xiàn)出振動,將本來的圓形變形為橢圓形并拉伸了鍵。當(dāng)鍵長達到超過原子半徑之和時,鍵會斷裂并且振動停止,這表明原子變得彼此獨立。不久之后,原子又重新結(jié)合在一起,重新形成了錸2分子。

諾丁漢大學(xué)的博士后研究助理史蒂芬·斯科龍(Stephen Skowron)博士進行了錸2鍵的計算,他說:“金屬原子之間的鍵在化學(xué)中非常重要,特別是對于了解材料的磁性、電子或催化特性。具有挑戰(zhàn)性的是過渡金屬(例如錸)可以形成從單鍵到五鍵的不同數(shù)量的鍵。在此TEM實驗中,我們觀察到兩個錸原子主要通過四鍵鍵合,這為過渡金屬化學(xué)提供了新的基礎(chǔ)知識?!?/p>

電子顯微鏡作為化學(xué)家的新分析工具

安德烈·赫洛比斯托夫說:“據(jù)我們所知,這是第一次在原子尺度上拍攝鍵的變化、斷裂和形成。電子顯微鏡已經(jīng)成為確定分子結(jié)構(gòu)的分析工具,尤其是隨著分子結(jié)構(gòu)的發(fā)展。該技術(shù)獲得了2017年諾貝爾化學(xué)獎的認(rèn)可。我們現(xiàn)在正在推動分子成像的前沿領(lǐng)域,超越簡單的結(jié)構(gòu)分析,并實時了解單個分子的動力學(xué)?!?研究小組認(rèn)為,將來有一天電子顯微鏡可能會成為研究化學(xué)反應(yīng)的通用方法,類似于化學(xué)實驗室廣泛使用的光譜方法。

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