Kredit:Tokyo Institute of Technology
I ett genombrott har Tokyo Tech-forskare lyckats observera och karakterisera dynamisk sammansättning av metallatomer med hjälp av en genialisk kombination av sveptransmissionselektronmikroskopi och en videobaserad spårning. Genom att visualisera kortlivade molekyler, som metalliska dimerer och trimerer, som inte kan observeras med traditionella metoder, öppnar forskarna möjligheten att observera fler sådana dynamiska strukturer som förutsägs genom simuleringar.
Kemi är studiet av bindningsbildning (eller dissociation) mellan atomer. Kunskapen om hur kemiska bindningar bildas är i själva verket grundläggande för inte bara all kemi utan även för områden som materialvetenskap. Traditionell kemi har dock till stor del varit begränsad till studiet av stabila föreningar. Studiet av dynamisk sammansättning mellan atomer under en kemisk reaktion har fått lite uppmärksamhet. Med de senaste framstegen inom beräkningskemi, blir dynamiska, kortlivade strukturer dock allt viktigare. Experimentell observation och karakterisering av dynamisk bindning som förutspås mellan atomer, såsom bildandet av metalliska dimerer, kan öppna upp nya forskningsgränser inom kemi och materialvetenskap.
Men att observera denna bindningsdynamik kräver också utveckling av en ny metodik. Detta beror på att konventionella karakteriseringstekniker endast ger en tidsgenomsnittlig strukturell information och är därför otillräckliga för att observera bindningarna när de bildas.
Mot denna bakgrund har forskare från Japan under ledning av docent Takane Imaoka från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) nu tillhandahållit en genialisk lösning. I deras studie publicerad i Nature Communications , använde teamet en kombination av videospårning och en teknik som kallas "ringformig mörkfältsskanningstransmissionselektronmikroskopi" (ADF-STEM) för att utföra sekventiell avbildning av olika metallatomer som interagerar med varandra. Detta gjorde det möjligt för dem att direkt observera transienta strukturer som härrör från en sammansättning av två liknande atomer (homometalliska dimerer), två olika atomer (heterometalliska dimerer) och tre olika atomer (heterometalliska trimerer).
Teamet började med att deponera atomer av atomer av guld (Ag), silver (Ag) och koppar (Cu) på en grafen nanoplatta med en metod som kallas "båg-plasma deposition." För att säkerställa att tillräckligt med isolerade enstaka atomer fanns tillgängliga begränsades avsättningen till cirka 0,05–0,015 monolager och observationer med hög förstoring utfördes på de platta områdena av grafensubstratet.
"Den elementära identifieringen av atomerna var tillgänglig med realtidsspårning av de rörliga atomerna, medan ADF-STEM gjorde att atomerna kunde observeras under elektrondos. Detta hjälpte oss att undvika höga strömtätheter som vanligtvis behövs för enatomsanalys, vilket kan orsaka materiell skada", förklarar Dr. Imaoka.
Dessutom visade ADF-STEM-avbildning en extremt hög atomdiskrimineringsnoggrannhet, från 98,7% för Au-Ag till 99,9% för Au-Cu-par. Andra parningar visade också liknande nivåer av diskriminering. Dessutom kunde teamet också observera Au–Ag–Cu, en extremt kortlivad heterometallisk trimer.
"Även om våra ögonblicksbilder inte helt överensstämde med de strukturer som förutspåtts av teoretiska beräkningar, stämmer de genomsnittliga bindningslängderna mellan elementen i de observerade strukturerna väl överens med beräkningarna", säger Dr. Imaoka.
Resultaten av denna studie kan leda till en snabb utveckling inom nanovetenskap, där karakteriseringen av metallkluster och subnanopartiklar blir allt viktigare, och i processen öppnar dörrar till en helt ny materia. + Utforska vidare
