Ända sedan förekomsten av molekyler bevisades och molekylära reaktioner förutspåddes, människor har velat visuellt observera hur sådana händelser fortskrider. Sådana observationer av enmolekylära reaktioner är mycket viktiga för den grundläggande förståelsen av kemiska vetenskaper, som skulle hjälpa till i utvecklingen av nya katalysatorer, material, eller droger, och hjälpa oss att dechiffrera de komplexa biokemiska processerna. Dock, detta var inte möjligt under den längsta tiden i modern kemi, och hittills erhölls informationen om dynamiska processer på nanometerskalan endast från indirekta metoder eftersom molekylerna var för små för att kunna visualiseras.

Nya rön av forskarna vid Centrum för nanomedicin inom Institutet för basvetenskap, Sydkorea, tillsammans med forskare från Japan och Tyskland kan just ha ändrat detta. Gruppen observerade framgångsrikt bottom-up-syntesen av fulleren C60, som är en allotrop av kol som liknar en fotboll, och producerade en videobild som beskriver processen med en molekylär atomupplösning i realtid elektronmikroskopi (SMART-EM). Detta möjliggjordes med tillkomsten av aberrationskorrigerad transmissionselektronmikroskopi (TEM) och upprättandet av villkoren för att lösa subnanometerstora objekt som molekyler och till och med enstaka atomer.

I deras experiment, forskarna arbetade med ett skräddarsytt truxenderivat (C60H30), som har formen av en plattpressad fotboll som utgångsmaterial. För TEM-observationen, truxenen fixerades på ett grafenmonoskikt, vilket förhindrar att molekylen genomgår snabb translation över ytan eller till och med lossnar i vakuumet. Genom isoleringen av en enda molekyl på ytan, de kunde studera dynamiska processer utan inblandning av andra molekyler. Detta platta 2-dimensionella material bestrålades sedan med en högenergisk elektronstråle på upp till 80, 000 V, vilket är hundratals gånger högre än spänningen som finns i hushållets eluttag.

Vad händer med molekylen om den utsätts för en så kraftfull elektronstråle? Om molekylen följer reglerna i klassisk organisk kemi läroböcker, det extrema tillståndet skulle tvinga truxenet att förlora sina väten genom en process som kallas cyklodehydrering, vilket gör att de återstående kolatomerna i molekylen vikas ihop till en sfärisk form (Figur 1). Men om högenergivägar dominerar, en oförutsägbar nedbrytning, upp till fullständig finfördelning av molekylen, skulle bli resultatet.

Genom att i stor utsträckning korrelera de faktiska TEM-bilderna med de från simulerade modeller (Figur 2), forskarna fann att truxenmolekylen initialt genomgår en kinetiskt och termodynamiskt kontrollerad cyklodehydreringsreaktion. TEM-observationerna avslöjade att reaktionsvägen sker via termodynamiskt gynnade nyckelintermediärer genom till synes klassiska organiska reaktionsmekanismer, som identifierades och fångades på video. Således, de visade att elektronstrålen överför kinetisk energi till kärnorna och exciterar molekylens vibrationstillstånd, vilket ger molekylen tillräcklig energi för att genomgå kemiska reaktioner. Viktigt, det visade sig att tvärsnittet (sannolikheten) för den konventionella kemiska vägen är större än för den destruktiva C-H-bindningsklyvningen.

Dessa fynd beskriver för första gången real-rymd- och realtidsanalysen av en diskret molekyl-till-molekyl-transformation, fångad på video. Denna observation i verkliga rymden av en diskret kemisk reaktion är en milstolpe inom kemisk vetenskap och kommer att leda till en djupare förståelse av de grundläggande kemiska processerna på nanoskala. Identifiering av nyckelmellanprodukterna avslöjade också nya insikter om elektronstråledrivna reaktioner. Forskarna planerar att utforska hela omfattningen av SMART-EM-tekniken genom att tillämpa den på större system, såsom analys av flytande media. Detta kommer att ytterligare främja forskningen inom områden som sträcker sig från nanomaterialkemi till biomedicinska vetenskaper, där förståelsen av strål-materia-interaktioner är av yttersta vikt. De insikter som erhållits i dessa studier kommer också att bidra till att utforma nya strategier för att syntetisera nanomaterial med hjälp av elektronstrålelitografi.