Wiedza o tym, jak tworzą się wiązania chemiczne, ma fundamentalne znaczenie nie tylko dla całej chemii, ale także materiałoznawstwa. Jednak tradycyjna chemia jest w dużej mierze ograniczona do badania związków stabilnych, a zrozumieniu dynamicznych połączeń między atomami podczas reakcji chemicznej poświęcono niewiele uwagi. Eksperymentalna obserwacja i charakterystyka dynamicznych wiązań przewidywanych między atomami, takich jak tworzenie się metalicznych dimerów, może poszerzyć granice badawcze w chemii i materiałoznawstwie.
Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać
Ale obserwacje dynamiki wiązań wymagają opracowania nowych metod badawczych. Wynika to z faktu, że konwencjonalne techniki charakteryzacji dostarczają jedynie uśrednionych w czasie informacji strukturalnych, a zatem nie nadają się do obserwacji wiązań w trakcie ich tworzenia.
Naukowcy z Tokyo Tech postanowili to zmienić. Zespół pod kierownictwem prof. Takane Imaoki wykorzystał kombinację śledzenia wideo i techniki zwanej pierścieniową skaningową transmisyjną mikroskopią elektronową w ciemnym polu (ADF-STEM) do sekwencyjnego obrazowania różnych atomów metalu oddziałujących ze sobą. Dzięki temu można było bezpośrednio obserwować przejściowe struktury powstałe w wyniku połączenia dwóch podobnych atomów (dimery homometaliczne), dwóch różnych atomów (dimery heterometaliczne) i trzech różnych atomów (trimery heterometaliczne). Szczegóły opisano w Nature Communications.
Zespół rozpoczął od osadzania atomów złota (Ag), srebra (Ag) i miedzi (Cu) na nanopłytce grafenowej metodą zwaną “osadzaniem plazmowym z łukiem elektrycznym”. Aby zapewnić wystarczającą liczbę izolowanych pojedynczych atomów, osadzanie ograniczono do około 0,05-0,015 monowarstw, a obserwacje w dużym powiększeniu prowadzono na płaskich obszarach podłoża grafenowego.
Identyfikacja pierwiastkowa atomów była możliwa dzięki śledzeniu w czasie rzeczywistym poruszających się atomów, podczas gdy ADF-STEM pozwalała na obserwację atomów pod wpływem dawki elektronów. Pomogło nam to uniknąć dużych gęstości prądu, które są zwykle potrzebne do analizy pojedynczych atomów, a które mogą powodować uszkodzenia materiału.prof. Takane Imaoka
Dodatkowo, obrazowanie ADF-STEM wykazało niezwykle wysoką dokładność rozróżniania atomów, od 98,7% dla par Au-Ag do 99,9% dla par Au-Cu. Co więcej, zespół był w stanie zaobserwować Au-Ag-Cu – niezwykle krótko żyjący trimer heterometaliczny.
Chociaż nasze zdjęcia nie zgadzały się idealnie ze strukturami przewidywanymi przez obliczenia teoretyczne, średnie długości wiązań między pierwiastkami w obserwowanych strukturach zgadzają się z obliczeniami.prof. Takane Imaoka
Wyniki badań mogą doprowadzić do szybkiego rozwoju nanonauk, w której charakterystyka klastrów metali i nanocząstek metali nabiera coraz większego znaczenia.