Desde que se propuso que los átomos son bloques de construcción del mundo, los científicos han estado tratando de entender cómo y por qué se unen entre sí. Ya sea una molécula que es un grupo de átomos unidos de una manera particular,o un bloque de material o un organismo vivo completo, en última instancia, todo está controlado por la forma en que los átomos se unen y la forma en que se rompen los enlaces.
El desafío es que las longitudes de los enlaces químicos son entre 0.1 - 0.3 nm, aproximadamente medio millón de veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano, lo que dificulta la obtención de imágenes directas de la unión entre un par de átomos. Métodos de microscopía avanzados, comoLa microscopía de fuerza atómica AFM o la microscopía de túnel de barrido STM, puede resolver posiciones atómicas y medir longitudes de enlace directamente, pero filmar enlaces químicos para romper o formar, con continuidad espacio-temporal, en tiempo real, sigue siendo uno de los mayores desafíos deCiencias.
Este desafío ha sido cumplido por un equipo de investigación del Reino Unido y Alemania dirigido por el profesor Ute Kaiser, jefe de microscopía electrónica de ciencia de materiales en la Universidad de Ulm, y el profesor Andrei Khlobystov en la Facultad de Química de la Universidad de Nottinghamhan publicado 'Imaging un enlace metal-metal no soportado en moléculas de dirhenium a escala atómica' en Avances científicos , una revista de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia que cubre todos los aspectos del esfuerzo científico.
Átomos en un tubo de ensayo nano
Este grupo de investigadores es conocido por su uso pionero de la microscopía electrónica de transmisión TEM para filmar 'películas' de reacciones químicas a nivel de molécula única, y la dinámica de pequeños grupos de átomos metálicos en nanocatalizadores utiliza nanotubos de carbono - atómicamenteDelgados cilindros huecos de carbono con diámetros a escala molecular 1-2 nm como tubos de ensayo en miniatura para átomos.
El profesor Andrei Khlobystov dijo: "Los nanotubos nos ayudan a atrapar átomos o moléculas, y a colocarlos exactamente donde queramos. En este caso atrapamos un par de átomos de renio Re unidos para formar Re2. Porque el renio tiene unaEl número atómico alto es más fácil de ver en TEM que los elementos más ligeros, lo que nos permite identificar cada átomo de metal como un punto oscuro ".
El profesor Ute Kaiser, agregó: "A medida que imaginábamos estas moléculas diatómicas por el estado de la técnica, la aberración cromática y esférica corrigió SALVE TEM, observamos la dinámica a escala atómica de Re2 adsorbida en la red grafítica del nanotubo y descubrimos quela longitud del enlace cambia en Re2 en una serie de pasos discretos "
Un uso dual del haz de electrones
El grupo tiene un amplio historial de uso del haz de electrones como una herramienta para doble propósito: imágenes precisas de posiciones atómicas y activación de reacciones químicas debido a la energía transferida de los electrones rápidos del haz de electrones a los átomos.un "truco con TEM permitió a estos investigadores grabar películas de moléculas que reaccionaban en el pasado, y ahora pudieron filmar dos átomos unidos en Re2 'caminando' a lo largo del nanotubo en un video continuo. Dr. Kecheng Cao, Asistente de Investigación enLa Universidad de Ulm, que descubrió este fenómeno y realizó los experimentos de imágenes, dijo: "Fue sorprendentemente claro cómo se mueven los dos átomos en pares, lo que indica claramente un enlace entre ellos. Es importante destacar que, a medida que Re2 baja por el nanotubo, la longitud del enlace cambia, lo que indicael enlace se vuelve más fuerte o más débil dependiendo del ambiente alrededor de los átomos '.
Rompiendo el vínculo
Después de un período de tiempo, los átomos de Re2 exhibieron vibraciones distorsionando sus formas circulares en elipses y estirando el enlace. A medida que la longitud del enlace alcanzó un valor superior a la suma de los radios atómicos, el enlace se rompió y la vibración cesó, lo que indica que los átomos se volvieronindependientes entre sí. Un poco más tarde los átomos se unieron nuevamente, formando una molécula Re2.
El Dr. Stephen Skowron, Asistente de Investigación Postdoctoral en la Universidad de Nottingham que realizó los cálculos para la unión de Re2, dijo: 'Los enlaces entre los átomos de metal son muy importantes en la química, particularmente para comprender las propiedades magnéticas, electrónicas o catalíticas de los materiales.Lo desafiante es que los metales de transición, como Re, pueden formar enlaces de diferente orden, desde enlaces simples hasta quíntuples. En este experimento TEM observamos que los dos átomos de renio están unidos principalmente a través de un enlace cuádruple, proporcionando nuevas ideas fundamentales sobre el metal de transiciónquímica'.
Microscopio electrónico como una nueva herramienta analítica para químicos
Andrei Khlobystov, dijo: "Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que la evolución, ruptura y formación de enlaces se registró en una película a escala atómica. La microscopía electrónica ya se está convirtiendo en una herramienta analítica para determinar estructuras de moléculas, particularmente conavance del TEM criogénico reconocido por el Premio Nobel de Química 2017. Ahora estamos empujando las fronteras de las imágenes de moléculas más allá del simple análisis estructural y hacia la comprensión de la dinámica de las moléculas individuales en tiempo real. 'El equipo cree que algún día en el futuro la microscopía electrónicaconvertirse en un método general para estudiar reacciones químicas, similar a los métodos espectroscópicos ampliamente utilizados en los laboratorios de química.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Nottingham . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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