Experter i Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC) vid University of Nottingham har tagit en första topp i atomklustrens privatliv.

Efter att redan ha lyckats "filma" intermolekylära kemiska reaktioner – med hjälp av elektronstrålen från ett transmissionselektronmikroskop (TEM) som ett stoppbildsavbildningsverktyg har de nu uppnått tidsupplöst avbildning av dynamik i atomskala och kemiska transformationer som främjas av nanokluster av metall. Detta har gjort det möjligt för dem att rangordna 14 olika metaller både efter deras bindning med kol och deras katalytiska aktivitet, visar betydande variation över det periodiska systemet.

Deras senaste verk, "Jämförelse av dynamik i atomär skala för nanokatalysatorer för mellersta och sena övergångsmetaller", har publicerats i Naturkommunikation . Andrei Khlobystov, Professor i nanomaterial och chef för nmRC, sade:"Tack vare de senaste framstegen inom mikroskopi och spektroskopi vet vi nu en hel del om beteendet hos molekyler och atomer. strukturen och dynamiken hos kluster av metalliska element i atomskala förblir ett mysterium. Den komplexa atomdynamiken som avslöjas direkt genom avbildning i realtid kastar ljus över nanokatalysatorers atomistiska funktion."

Bidrag till global BNP

Den atomära dynamiken hos metallnanokluster bestämmer deras funktionella och kemiska egenskaper såsom katalytisk aktivitet - deras förmåga att öka hastigheten på en kemisk reaktion. Många viktiga industriella processer förlitar sig för närvarande på nanokatalysatorer såsom vattenrening; bränslecellsteknik; energilagring; och produktion av biodiesel.

Professor Khlobystov sa:"Med katalytiska kemiska reaktioner som väsentligt bidrar till den globala BNP, att förstå nanoklusters dynamiska beteende på atomnivå är en viktig och brådskande uppgift. Dock, den kombinerade utmaningen med oenhetliga strukturer av nanokatalysatorer - till exempel, fördelning av storlekar, former, kristallfaser - samexisterande inom samma material och deras mycket dynamiska natur - nanokluster genomgår omfattande strukturella och, i vissa fall, kemiska omvandlingar under katalys - gör klargörandet av de atomistiska mekanismerna för deras beteende praktiskt taget omöjligt."

Från enmolekylär dynamik till atomkluster

Professor Khlobystov ledde det anglo-tyska samarbetet som utnyttjade effekten av elektronstrålen (e-beam) i transmissionselektronmikroskopin (TEM) för avbildning av enmolekyls dynamik. Genom att använda e-strålen samtidigt som ett bildverktyg och en energikälla för att driva kemiska reaktioner lyckades de filma reaktioner hos molekyler. Forskningen publicerades förra året i ACS Nano, en flaggskeppstidskrift för nanovetenskap och nanoteknik, och valts ut som ACS Editor's Choice på grund av dess potential för ett brett allmänintresse.

Istället för laboratoriekolvar eller provrör, de använder världens minsta provrör – enkelväggiga kolnanorör – atomärt tunna cylindrar av kol med inre diametrar på 1-2 nm som har haft Guinness världsrekord sedan 2005.

Ett periodiskt system i ett nanoprovrör

Professor Khlobystov sa:"Vi använder dessa kolnanorör för att ta prov på små kluster av kemiska element, var och en består av bara några dussintals atomer. Genom att fånga in nanokluster av en serie relaterade metalliska element skapade vi effektivt i ett periodiskt system i ett nanoprovrör, möjliggör en global jämförelse av kemi för övergångsmetaller över det periodiska systemet. Detta har alltid varit extremt utmanande eftersom de flesta metallnanokluster är mycket känsliga för luft. Kombinationen av nanoprovröret och TEM tillåter oss att se inte bara dynamiken hos metallnanokluster utan också deras bindning med kol som visar en tydlig koppling till metallens position i det periodiska systemet."

Ute Kaiser, Professor i experimentell fysik och ledare för gruppen för elektronmikroskopi av materialvetenskap vid Ulm University sa:"Aberrationskorrigerad transmissionselektronmikroskopi och de lågdimensionella materialen, såsom nanorör fyllda med nanokluster av metall, är en idealisk matchning för varandra eftersom de tillåter en effektiv kombination av framsteg inom analytisk och teoretisk kemi med den senaste utvecklingen inom elektronmikroskopi, leder till ny förståelse av fenomen på atomär skala, såsom nanokatalys i detta arbete."

Titta på nanokluster i oöverträffad upplösning

Kecheng Cao, Ph.D. student vid Ulms universitet, som utförde bildanalys i denna studie sa:"När jag tittar på atomer genom mikroskopet, ibland slutar jag andas för att se de osynliga detaljerna vi upptäcker för nanoklustren på vårt nyutvecklade SALVE III-mikroskop som ger oöverträffad upplösning".

Elena Besley, Professor i teoretisk och beräkningskemi vid University of Nottingham sa:"När man når in i de minsta byggstenarna av metaller, denna studie visade att metallnanokluster instängda i kolnanoprovrör ger en universell plattform för att studera organometallisk kemi och möjliggör en direkt jämförelse av bindningen och reaktiviteten hos olika övergångsmetaller samt klargörande av struktur-prestandaförhållandet för nanokatalysatorer – avgörande för upptäckt av nya reaktionsmekanismer och mer effektiva katalysatorer för framtiden. Denna studie ger en första kvalitativ glimt av ett globalt perspektiv på metall-kolbindning."

Denna studie är den senaste i en serie av mer än 20 högkaliber gemensamma papper om ämnet elektronmikroskopi för molekyler och nanomaterial publicerade av Ulm-Nottingham-samarbetet.