Dodano: 23 styczeń 2020r.

Naukowcy zarejestrowali na filmie proces tworzenia się i zrywania wiązań atomowych

Dotychczas proces łączenia i zrywania wiązań atomowych był pokazywany na modelach. Teraz można zobaczyć, jak wygląda to w rzeczywistości. Grupie naukowców z Niemiec i Wielkiej Brytanii udało się zarejestrować na nagraniu, jak dwa atomy renu, o średnicy 0,1-0,3 nanometra, tworzą i zrywają wiązania atomowe.

atomy łączące się w cząsteczki

 

Naukowcy uchwycili na krótkim nagraniu wideo taniec dwóch atomów, które łączą się ze sobą, rozpadają i ponownie łączą. Skorzystali przy tym z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM). By ułatwić sobie zadanie, uczeni uwięzili atomy we wnętrzu nanorurek węglowych. Wyniki swojego eksperymentu opublikowali na łamach pisma „Science Advances”.

Taniec dwóch atomów ujawnia tajniki wiązań atomowych

Od kiedy ustalono, że atomy są budulcem świata, uczeni starają się zrozumieć, w jaki sposób i dlaczego atomy łączą się ze sobą. Czy to cząsteczka, która jest grupą atomów połączonych ze sobą w określony sposób, czy blok materiału lub cały żywy organizm, ostatecznie wszystko jest kontrolowane przez sposób, w jaki atomy wiążą się ze sobą.

Jednak zobaczenie tego na własne oczy było sporym wyzwaniem. Wiązania chemiczne między atomami są około pół miliona razy mniejsze niż szerokość ludzkiego włosa, co znacznie utrudnia ich bezpośrednie obrazowanie. Zaawansowane metody mikroskopowe, takie jak mikroskopia sił atomowych (atomic force microscopy) ) lub skaningowa mikroskopia tunelowa (scanning tunnelling microscopy) pozwalają podglądać atomy, ale filmowanie tworzenia i zrywania wiązań chemicznych w czasie rzeczywistym było jednym z największych wyzwań nauki.

Pierwsze w historii nagranie tworzenia się i zrywania wiązań między atomami wykonali naukowcy z Wielkiej Brytanii i Niemiec, którymi kierowali profesor Ute Kaiser z Uniwersytetu w Ulm oraz profesor Andriej Chłobystow z Uniwersytetu w Nottingham. Ta grupa badawcza znana jest z pionierskiego zastosowania transmisyjnej mikroskopii elektronowej do filmowania reakcji chemicznych na poziomie pojedynczej cząsteczki.

Uczeni wykorzystali nanorurki węglowe – cienkie, puste cylindry węgla o średnicach 1-2 nanometrów. - Nanorurki pomogły nam wychwytywać atomy i ustawiać je dokładnie tam, gdzie chcieliśmy. W tym przypadku uwięziliśmy parę atomów renu połączonych w Re2. Ponieważ ren ma wysoką liczbę atomową, łatwiej go dostrzec w TEM niż lżejsze pierwiastki. To pozwoliło nam zidentyfikować każdy atom renu jako ciemną kropkę – wyjaśnił Chłobystow.

Transmisyjny mikroskop elektronowy jest wyposażony w tzw. działo elektronowe, które wytwarza wiązkę elektronów. Uczeni wykorzystali strumień elektronów nie tylko do określenia pozycji atomów, ale także do aktywacji reakcji chemicznych dzięki energii przenoszonej przez elektrony.

Pierwsze w historii nagranie tworzenia i zrywania wiązań atomowych

W sekwencji obrazów z transmisyjnego mikroskopu elektronowego, dwa atomy renu łączą się tworząc cząsteczkę. Krążą wokół siebie coraz bardziej się zbliżając, a następnie oddzielają się od siebie. Nagranie ujawnia kolejność wiązań między dwoma atomami, ich liczbę oraz sposób, w jaki wiązania te zmieniają się.

Wiązania chemiczne między atomami tworzą się poprzez uwspólnienie dwóch lub większej liczby elektronów. Mogą one pochodzić od jednego lub od obu łączących się atomów. Mogą również być wynikiem przeskoku jednego lub większej liczby elektronów z jednego atomu na drugi.

Im bliżej siebie znajdowały się atomy renu, tym większą liczbę wiązań dzieliły między sobą. W najbliższym podejściu miały cztery wiązania.

- Nagranie pokazuje, w jaki sposób dwa atomy poruszają w parze, wyraźnie wskazując na wiązania między nimi. W miarę jak para atomów przesuwała się w nanorurce, długość wiązania zmieniała się, wskazując, że wiązanie staje się silniejsze lub słabsze w zależności od środowiska wokół atomów – powiedział dr Kecheng Cao z Uniwersytetu w Ulm.

Po pewnym czasie atomy renu zostały zniekształcone przez wibracje. Gdy długość wiązania osiągnęła sumę średnicy obu atomów, wiązanie zostanie zerwane, a wibracje ustały, pokazując, że atomy stały się od siebie niezależne. Chwilę później atomy ponownie się połączyły w parę.

- Wiązania między atomami metali są bardzo ważne w chemii, szczególnie dla zrozumienia magnetycznych, elektronicznych lub katalitycznych właściwości materiałów. W tym eksperymencie zaobserwowaliśmy, że dwa atomy renu są związane głównie poprzez poczwórne wiązanie, zapewniając nowe podstawowe informacje na temat chemii metali przejściowych – wyjaśnił dr Stephen Skowron z Uniwersytetu w Nottingham.

- Oglądanie tego w czasie rzeczywistym było absolutnie niewiarygodne – powiedział profesor Chłobystow. - Mikroskopia elektronowa staje się narzędziem analitycznym do określania struktur molekuł. Przesuwamy teraz granice obrazowania molekularnego poza prostą analizę strukturalną, w kierunku zrozumienia dynamiki poszczególnych cząsteczek w czasie rzeczywistym – dodał.

 

Źródło i fot.: University of Nottingham