化学键生成&破纪录——比人类头发的宽度还小50万倍

时间:2020-01-30 18:47 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

化学键生成&破纪录——比人类头发的宽度还小50万倍

自从有人提出原子是构成世界的基本单位以来,科学家们一直在试图理解原子是如何以及为什么会相互结合的。无论是一个分子(一组原子以特定的方式连接在一起),还是一块材料或一个完整的生物体,最终,一切都是由原子的结合方式和化学键的断裂方式控制的。

挑战在于化学键的长度在0。1 -之间0.3纳米,大约比人类头发的宽度小50万倍,使得直接成像一对原子之间的结合变得困难。先进的显微技术,如原子力显微镜(AFM)或扫描隧道显微镜(STM),可以直接解析原子位置和测量键长,但实时拍摄化学键以打破或形成时空连续性,仍然是科学面临的最大挑战之一。

遇到了这一挑战领导的一个研究小组从英国和德国Ute凯泽教授的电子显微镜,乌尔姆大学的材料科学教授Andrei Khlobystov在诺丁汉大学化学学院发表了《;成像一个不受支持的债券在dirhenium分子-金属原子scale’《科学进展》是美国科学进步协会的期刊,涵盖了科学研究的各个方面。

纳米试管中的原子

这组研究人员因开创性地使用透射电子显微镜(TEM)拍摄“电影”而闻名。在单分子水平上的化学反应和纳米催化剂中金属原子的微小簇的动力学利用碳纳米管在分子尺度(1-2纳米)直径的碳原子薄空心圆柱体作为原子的微型试管。

安德烈·赫洛比斯托夫教授说:“纳米管帮助我们捕获原子或分子,并将它们精确定位到我们想要的位置。”在这种情况下,我们捕获了一对结合在一起形成Re2的铼(Re)原子。因为铼的原子序数高,所以在透射电子显微镜中比在较轻的元素中更容易看到,这使我们能够把每个金属原子识别为一个黑点。”

Ute凯泽教授补充道:“没有,我们拍摄这些先进的彩色双原子分子,球形aberration-corrected药膏TEM,我们观察到的量子动力学Re2公司吸附在碳纳米管的石墨晶格和发现的键长变化.&rdquo Re2公司在一系列离散步骤;

电子束的双重用途

该团队有一个丰富的使用电子束作为工具的双重用途的记录:精确的原子位置成像和激活化学反应,由于能量从电子束的快速电子转移到原子。two-in-one&rdquo的;TEM技术使研究人员能够记录过去分子反应的影片,现在他们能够记录两个原子在Re2“行走”过程中结合在一起的过程。在连续的视频中沿着纳米管。乌尔姆大学的研究助理曹克澄博士发现了这一现象,并进行了成像实验。重要的是,当Re2沿着纳米管向下移动时,键长发生了变化,这表明键的强度取决于原子周围的环境。”

打破债券

一段时间后,Re2原子的振动使其圆形扭曲成椭圆,并使键拉伸。当键长超过原子半径之和时,键断裂,振动停止,表明原子之间相互独立。过了一会儿,原子又结合在一起,形成了一个Re2分子。

诺丁汉大学的博士后研究助理Stephen Skowron博士进行了Re2键的计算,他说:“金属原子间的键在化学中非常重要,特别是对于理解材料的磁性、电子或催化性质。”使其具有挑战性的是过渡金属,如稀土,可以形成不同顺序的键,从单键到五键。在TEM实验中,我们观察到两个铼原子主要通过四重键结合,这为过渡金属化学提供了新的基础见解。

电子显微镜作为一种新的化学分析工具

安德烈·赫罗比斯托夫说:“据我们所知,这是第一次在原子尺度上记录化学键的演化、断裂和形成。”电子显微镜已经成为确定分子结构的分析工具,特别是随着2017年诺贝尔化学奖认可的低温TEM的进展。我们现在正在推动分子成像的前沿,超越简单的结构分析,并朝着实时了解单个分子动力学的方向发展。”研究小组相信,在未来的某一天,电子显微镜可能会成为研究化学反应的通用方法,类似于化学实验室中广泛使用的光谱分析方法。

参考文献:“在原子尺度上成像双铼分子中不受支持的金属-金属键”作者:Kecheng Cao, Stephen T. Skowron, Johannes Biskupek, Craig T. Stoppiello, Christopher Leist, Elena Besley, Andrei N. Khlobystov和Ute Kaiser, 2020年1月17日,科学进展。

DOI: 10.1126 / sciadv.aay5849

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