Einblick in das Privatleben von Atomclustern - mit den kleinsten Reagenzgläsern der Welt

Anonim

Experten im Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC) an der University of Nottingham haben einen ersten Einblick in das Privatleben von Atomclustern erhalten.

Nachdem es ihnen bereits gelungen ist, intermolekulare chemische Reaktionen zu "filmen", indem sie den Elektronenstrahl eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) als Stopprahmen-Bildgebungswerkzeug nutzen, haben sie nun eine zeitaufgelöste Bildgebung von atomarer Dynamik und chemischen Umwandlungen erreicht Metallnanocluster. Dies ermöglichte es ihnen, 14 verschiedene Metalle zu ordnen, und zwar sowohl in der Reihenfolge ihrer Bindung an Kohlenstoff als auch ihrer katalytischen Aktivität, was eine signifikante Variation über das Periodensystem der Elemente zeigt.

Ihre neueste Arbeit "Vergleich der Dynamik im atomaren Maßstab für die mittleren und späten Übergangsmetall-Nanokatalysatoren" wurde in Nature Communications veröffentlicht. Andrei Khlobystov, Professor für Nanomaterialien und Direktor von nmRC, sagte: "Dank der jüngsten Fortschritte in der Mikroskopie und Spektroskopie wissen wir jetzt sehr viel über das Verhalten von Molekülen und Atomen. Aber die Struktur und Dynamik von atomaren Clustern von metallischen Elemente bleiben ein Mysterium. Die komplexe atomare Dynamik, die direkt in der Bildgebung in Echtzeit sichtbar wird, beleuchtet das atomistische Arbeiten von Nanokatalysatoren. "

Beitrag zum globalen BIP

Die atomare Dynamik von Metallnanoclustern bestimmt ihre funktionellen und chemischen Eigenschaften wie die katalytische Aktivität - ihre Fähigkeit, die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu erhöhen. Viele industrielle Schlüsselprozesse basieren derzeit auf Nanokatalysatoren wie Wasserreinigung; Brennstoffzellentechnologien; Energiespeicher; und Biodieselproduktion.

Professor Khlobystov sagte: "Mit katalytischen chemischen Reaktionen, die wesentlich zum globalen BIP beitragen, ist das Verständnis des dynamischen Verhaltens von Nanoclustern auf atomarer Ebene eine wichtige und dringende Aufgabe. Allerdings die kombinierte Herausforderung ungleichförmiger Strukturen von Nanokatalysatoren - zum Beispiel Verteilung von Größen, Formen, Kristallphasen, die in demselben Material koexistieren und deren hochdynamische Natur - Nanocluster durchlaufen umfangreiche strukturelle und in einigen Fällen chemische Umwandlungen während der Katalyse - macht die Aufklärung der atomistischen Mechanismen ihres Verhaltens praktisch unmöglich. "

Von Einzelmoleküldynamik zu atomaren Clustern

Professor Khlobystov leitete die englisch-deutsche Kollaboration, die den Einfluss des Elektronenstrahls (E-Beam) in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) für die Bildgebung der Dynamik einzelner Moleküle nutzte. Indem sie den Elektronenstrahl gleichzeitig als Bildgebungswerkzeug und als Energiequelle für chemische Reaktionen einsetzten, gelang es ihnen, Reaktionen von Molekülen zu filmen. Die Studie wurde letztes Jahr in ACS Nano, einem führenden Fachmagazin für Nanowissenschaften und Nanotechnologie, veröffentlicht und aufgrund ihres Potentials für ein breites öffentliches Interesse als ACS Editor's Choice ausgewählt.

Anstelle von Laborflaschen oder Reagenzgläsern verwenden sie die kleinsten Reagenzgläser der Welt - einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen - atomar dünne Zylinder aus Kohlenstoff mit Innendurchmessern von 1-2 nm, die seit 2005 einen Guinness-Weltrekord halten.

Ein Periodensystem in einem Nano-Reagenzglas

Professor Khlobystov sagte: "Wir verwenden diese Kohlenstoff-Nanoröhren, um winzige Cluster chemischer Elemente zu proben, die jeweils nur aus ein paar Dutzend Atomen bestehen. Indem wir die Nanocluster einer Reihe verwandter metallischer Elemente einschließen, haben wir sie effektiv im Periodensystem im Nanotest erzeugt Englisch: tobias-lib.ub.uni-tuebingen.de/fron…us = 893 & la = de Dies war schon immer eine große Herausforderung, da die meisten Metallnanocluster hochempfindlich gegenüber Luft sind. Die Kombination aus Nano - Teströhrchen und TEM erlaubt es uns, nicht nur die Dynamik von Metall-Nanocluster, aber auch ihre Bindung mit Kohlenstoff, die eine klare Verbindung mit der Position des Metalls im Periodensystem zeigen. "

Ute Kaiser, Professorin für Experimentalphysik und Leiterin der Arbeitsgruppe Elektronenmikroskopie an der Universität Ulm, sagte: "Aberrationskorrigierte Transmissionselektronenmikroskopie und niedrigdimensionale Materialien wie Nanoröhrchen, die mit Metallnanoclustern gefüllt sind, sind eine ideale Ergänzung für Weil sie eine effektive Kombination von Fortschritten in der analytischen und theoretischen Chemie mit den neuesten Entwicklungen in der Elektronenmikroskopie ermöglichen, was zu einem neuen Verständnis von Phänomenen auf atomarer Ebene führt, wie etwa der Nanokatalyse in dieser Arbeit. "

Nanocluster in beispielloser Auflösung beobachten

Kecheng Cao, Ph.D. Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/…1/index.html Ein Student der Universität Ulm, der in dieser Studie die Bildanalyse durchführte, sagte: "Wenn ich Atome durch das Mikroskop betrachte, höre ich manchmal auf zu atmen, um die unsichtbaren Details für die Nanocluster unseres neu entwickelten SALVE III - Mikroskops zu sehen ".

Elena Besley, Professorin für theoretische und computergestützte Chemie an der Universität von Nottingham, sagte: "Diese Studie zeigt, dass Metallnanocluster, die in Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingeschlossen sind, eine universelle Plattform für das Studium der Organometallchemie bieten und eine direkte Synthese ermöglichen Vergleich der Bindung und Reaktivität verschiedener Übergangsmetalle sowie Aufklärung der Struktur-Wirkungsbeziehung von Nanokatalysatoren - wichtig für die Entdeckung neuer Reaktionsmechanismen und effizientere Katalysatoren der Zukunft Diese Studie liefert einen ersten qualitativen Einblick in eine globale Perspektive von Metall-Kohlenstoff-Bindung. "

Diese Studie ist die neueste in einer Reihe von mehr als 20 hochkarätigen gemeinsamen Arbeiten zum Thema Elektronenmikroskopie für Moleküle und Nanomaterialien, die von der Ulmer Nottingham-Kollaboration veröffentlicht wurden.

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