Ända sedan det föreslogs att atomer är byggstenar i världen, forskare har försökt förstå hur och varför de knyter an varandra. Det är en molekyl (som är en grupp atomer som är sammanfogade på ett visst sätt), eller ett materialblock eller en hel levande organism, i sista hand, allt styrs av hur atomer binder, och hur bindningar bryts.

Utmaningen är att längderna av kemiska bindningar är mellan 0,1-0,3 nm, ungefär en halv miljon gånger mindre än bredden på ett människohår, försvårar direkt avbildning av bindning mellan ett par atomer. Avancerade mikroskopimetoder, såsom atomkraftsmikroskopi (AFM) eller skanningstunnelmikroskopi (STM), kan lösa atompositioner och mäta bindningslängder direkt, men filmar kemiska bindningar för att bryta eller bildas, med spatiotemporal kontinuitet, i realtid, är fortfarande en av vetenskapens största utmaningar.

Denna utmaning har mötts av ett forskargrupp från Storbritannien och Tyskland under ledning av professor Ute Kaiser, chef för elektronmikroskopi av materialvetenskap vid universitetet i Ulm, och professor Andrei Khlobystov vid School of Chemistry vid University of Nottingham har de publicerat "Imaging an unsupported metal-metal bond in dirhenium molecules at the atomic scale" in Vetenskapliga framsteg , en tidskrift från American Association for the Advancement of Science som täcker alla aspekter av vetenskaplig strävan.

Atomer i ett nano -provrör

Denna grupp forskare är kända för sin banbrytande användning av transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att filma "filmer" av kemiska reaktioner på enmolekylnivå, och dynamiken i små kluster av metallatomer i nanokatalysatorer använder kolnanorör-atomiskt tunna ihåliga cylindrar av kol med diametrar i molekylskala (1-2 nm) som miniatyrprovsrör för atomer.

Professor Andrei Khlobystov, sade:"Nanorör hjälper oss att fånga atomer eller molekyler, och placera dem exakt där vi vill. I det här fallet fångade vi ett par rhenium (Re) atomer bundna ihop för att bilda Re2. Eftersom rhenium har ett högt atomnummer är det lättare att se i TEM än lättare element, så att vi kan identifiera varje metallatom som en mörk prick. "

Professor Ute Kaiser, tillade:"När vi avbildade dessa diatomiska molekyler genom den senaste tekniken kromatisk och sfärisk aberration korrigerad SALVE TEM, vi observerade atomdynamiken för Re2 adsorberad på nanorörets grafitiska gitter och upptäckte att bindningslängden förändras i Re2 i en serie diskreta steg. "

En dubbel användning av elektronstråle

Gruppen har en rik historia av att använda elektronstråle som ett verktyg för dubbla ändamål:exakt avbildning av atompositioner och aktivering av kemiska reaktioner på grund av energi som överförs från snabba elektroner i elektronstrålen till atomerna. "Två-i-ett" -tricket med TEM tillät dessa forskare att spela in filmer av molekyler som reagerade tidigare, och nu kunde de filma två atomer sammanbundna i Re2 'gå' längs nanoröret i en kontinuerlig video. Dr Kecheng Cao, Forskningsassistent vid Ulm University som upptäckte detta fenomen och utförde avbildningsexperimenten, sade:"Det var förvånansvärt klart hur de två atomerna rör sig i par, tydligt anger ett band mellan dem. Viktigt, när Re2 rör sig ner i nanoröret, bindningslängden ändras, vilket indikerar att bindningen blir starkare eller svagare beroende på miljön runt atomerna. "

Bryter bandet

Efter en tid, atomer i Re2 uppvisade vibrationer som förvrängde deras cirkulära former mot ellipser och sträckte bindningen. När bindningslängden nått ett värde som överstiger summan av atomradier, bandet knäppte och vibrationerna upphörde, vilket indikerar att atomerna blev oberoende av varandra. Lite senare gick atomerna samman igen, reformera en Re2 -molekyl.

Dr Stephen Skowron, Postdoktoral forskningsassistent vid University of Nottingham som utförde beräkningarna för Re2 -bindning, sade:"Obligationer mellan metallatomer är mycket viktiga i kemi, särskilt för att förstå magnetiska, elektronisk, eller katalytiska egenskaper hos material. Det som gör det utmanande är att övergångsmetaller, som Re, kan bilda bindningar av olika ordning, från enkla till femfaldiga bindningar. I detta TEM -experiment observerade vi att de två rheniumatomerna huvudsakligen är bundna genom en fyrdubbla bindning, ger ny grundläggande insikt i övergångsmetallkemi. "

Elektronmikroskop som ett nytt analysverktyg för kemister

Andrei Khlobystov, sade:"Så vitt vi vet, det här är första gången när bondutveckling, brytning och bildning spelades in på film i atomskala. Elektronmikroskopi börjar redan bli ett analytiskt verktyg för att bestämma strukturer av molekyler, särskilt med framsteg för den kryogena TEM som erkändes av Nobelpriset i kemi 2017. Vi driver nu gränserna för molekylbildning bortom enkel strukturanalys, och för att förstå individuella molekylers dynamik i realtid. "Teamet tror att elektronmikroskopi en dag i framtiden kan bli en allmän metod för att studera kemiska reaktioner, liknande spektroskopiska metoder som ofta används i kemilaboratorier.