Химические связи между атомами впервые зафиксированы на видео

С тех пор, как было предложено, что атомы являются строительными блоками мира, ученые пытаются понять, как и почему они связаны друг с другом. Будь то молекула (которая представляет собой группу атомов, соединенных определенным образом), или блок материала или целый живой организм, в конечном счете, все контролируется тем, как атомы связываются, и тем, как разрушаются их связи.

Сложность состоит в том, что длина химических связей составляет от 0,1 до 0,3 нм, примерно в полмиллиона раз меньше ширины человеческого волоса, что затрудняет прямое изображение связи между парой атомов.

Усовершенствованные методы микроскопии, такие как атомно-силовая микроскопия (АСМ) или сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), могут увидеть атомные позиции и напрямую измерять длины связей, но съемка химических связей для с пространственно-временной непрерывностью в реальном времени все еще оставалась одной из больших задач науки.

И эта задача была решена исследовательской группой из Великобритании и Германии во главе с профессором Уте Кайзером, руководителем отдела электронной микроскопии материаловедения в Университете Ульма, и профессором Андреем Хлобыстовым из Химического факультета Университета Ноттингема.

Эта группа исследователей известна своим новаторским использованием просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) для съемки «фильмов» химических реакций на уровне одной молекулы, а динамика крошечных кластеров атомов металлов в нанокатализаторах использует углеродные нанотрубки-атомарно тонкие полые цилиндры углерода диаметром в молекулярном масштабе (1-2 нм) в качестве миниатюрных пробирок для атомов.

«Нанотрубки помогают нам улавливать атомы или молекулы и располагать их именно там, где мы хотим. В этом случае мы поймали пару атомов рения (Re), связанных вместе, чтобы сформировать Re2. Поскольку рений имеет высокий атомный номер, его легче увидеть в ТЭМ, чем более легкие элементы, что позволяет нам идентифицировать каждый атом металла как темную точку» — говорит Андрей Хлобыстов.

«Когда мы визуализировали эти двухатомные молекулы с помощью современной техники коррекции хроматической и сферической аберрации SALVE TEM, мы наблюдали динамику атомного масштаба Re2, адсорбированного на графитовой решетке нанотрубки, и обнаружили, что длина связи Re2 изменяется в серии дискретных шагов».

Было удивительно видеть, как два атома движутся парами, что ясно указывает на связь между ними. Важно, что Re2 движется вниз по нанотрубке, длина связи изменяется, указывая на то, что связь становится сильнее или слабее в зависимости от среды вокруг атомов.

Через некоторое время атомы Re2 проявляли колебания, искажающие их круговые формы на эллипсы и растягивающие связь. Когда длина связи достигла величины, превышающей сумму атомных радиусов, связь оборвалась и вибрация прекратилась, что указывало на то, что атомы стали независимыми друг от друга. Чуть позже атомы снова соединились, образуя молекулу Re2.

«Связи между атомами металлов очень важны в химии, особенно для понимания магнитных, электронных или каталитических свойств материалов. Проблема заключается в том, что переходные металлы, такие как Ре, могут образовывать связи различного порядка, от одиночных до пятикратных. В этом эксперименте мы наблюдали, что два атома рения связаны главным образом через четверную связь, что дает новые фундаментальные представления о химии переходных металлов» — говорят исследователи.

«Насколько нам известно, это первый случай, когда эволюция, разрыв и образование связей были зафиксированы на пленке в атомном масштабе. Электронная микроскопия уже становится аналитическим инструментом для определения структуры молекул, особенно с развитием криогенной ТЭМ, признанной Нобелевской премией по химии в 2017 году.

-В настоящее время мы расширяем границы визуализации молекул, выходя за рамки простого структурного анализа, и приближаемся к пониманию динамики отдельных молекул в реальном времени» — сказал Андрей Хлобыстов.

Исследователи считают, что когда-нибудь в будущем электронная микроскопия может стать общим методом изучения химических реакций, подобным спектроскопическим методам, широко используемым в химических лабораториях.

«Imaging an unsupported metal–metal bond in dirhenium molecules at the atomic scale» Science Advances (2020). advances.sciencemag.org/content/6/3/eaay5849