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  • Sbirciando nella vita privata degli ammassi atomici, usando le provette più piccole del mondo

    Gli esperti del Centro di ricerca su nanoscala e microscala dell'Università di Nottingham hanno dato un primo sguardo alla vita privata degli ammassi atomici. Credito:Università di Nottingham

    Gli esperti del Centro di ricerca su nanoscala e microscala (nmRC) dell'Università di Nottingham hanno dato un primo sguardo alla vita privata degli ammassi atomici.

    Essendo già riusciti a "filmare" le reazioni chimiche intermolecolari, utilizzando il fascio di elettroni di un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) come strumento di imaging stop-frame, sono ora riusciti a ottenere immagini risolte nel tempo delle dinamiche su scala atomica e delle trasformazioni chimiche promosse da nanocluster metallici. Questo ha permesso loro di classificare 14 metalli diversi sia per il loro legame con il carbonio che per la loro attività catalitica, mostrando variazioni significative attraverso la tavola periodica degli elementi.

    Il loro ultimo lavoro, "Confronto delle dinamiche su scala atomica per i nanocatalizzatori di metalli di transizione intermedi e tardivi", è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura . Andrei Khlobystov, Professore di Nanomateriali e Direttore di nmRC, ha dichiarato:"Grazie ai recenti progressi nel campo della microscopia e della spettroscopia, ora sappiamo molto sul comportamento di molecole e atomi. Tuttavia, la struttura e la dinamica dei cluster su scala atomica di elementi metallici rimane un mistero. La complessa dinamica atomica rivelata direttamente dall'imaging in tempo reale fa luce sul funzionamento atomistico dei nanocatalizzatori".

    Contributo al PIL mondiale

    Le dinamiche su scala atomica dei nanocluster metallici determinano le loro proprietà funzionali e chimiche come l'attività catalitica, la loro capacità di aumentare la velocità di una reazione chimica. Molti processi industriali chiave attualmente si basano su nanocatalizzatori come la purificazione dell'acqua; tecnologie delle celle a combustibile; stoccaggio di energia; e la produzione di biodiesel.

    Il professor Khlobystov ha dichiarato:"Con reazioni chimiche catalitiche che contribuiscono in modo sostanziale al PIL globale, comprendere il comportamento dinamico dei nanocluster a livello atomico è un compito importante e urgente. Però, la sfida combinata delle strutture non uniformi dei nanocatalizzatori, ad esempio, distribuzione delle taglie, forme, fasi cristalline - coesistenti all'interno dello stesso materiale e la loro natura altamente dinamica - i nanocluster subiscono estese strutture e, in alcuni casi, trasformazioni chimiche durante la catalisi, rende virtualmente impossibile delucidare i meccanismi atomistici del loro comportamento."

    Dalla dinamica delle singole molecole ai cluster atomici

    Il professor Khlobystov ha guidato la collaborazione anglo-tedesca che ha sfruttato l'impatto del fascio di elettroni (e-beam) nella microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per l'imaging delle dinamiche di singole molecole. Impiegando simultaneamente il raggio elettronico come strumento di imaging e fonte di energia per guidare le reazioni chimiche, sono riusciti a filmare le reazioni delle molecole. La ricerca è stata pubblicata lo scorso anno su ACS Nano, una rivista di punta delle nanoscienze e delle nanotecnologie, e selezionato come ACS Editor's Choice per il suo potenziale di ampio interesse pubblico.

    Credito:Università di Nottingham

    Invece di flaconi da laboratorio o provette, impiegano le provette più piccole del mondo, nanotubi di carbonio a parete singola, cilindri di carbonio atomicamente sottili con diametri interni di 1-2 nm che hanno detenuto un Guinness World Record dal 2005.

    Una tavola periodica in una provetta nano

    Il professor Khlobystov ha dichiarato:"Usiamo questi nanotubi di carbonio per campionare piccoli gruppi di elementi chimici, ciascuno costituito da poche decine di atomi. Intrappolando i nanocluster di una serie di elementi metallici correlati che abbiamo effettivamente creato in una tavola periodica in una nano provetta, consentendo un confronto globale della chimica dei metalli di transizione attraverso la tavola periodica. Questo è sempre stato estremamente impegnativo perché la maggior parte dei nanocluster metallici è altamente sensibile all'aria. La combinazione della nano provetta e del TEM ci consente di osservare non solo la dinamica dei nanocluster metallici, ma anche il loro legame con il carbonio che mostra un chiaro legame con la posizione del metallo nella tavola periodica".

    Ute Kaiser, Professore di fisica sperimentale e leader del gruppo di microscopia elettronica di scienza dei materiali presso l'Università di Ulm, ha dichiarato:"La microscopia elettronica a trasmissione corretta per l'aberrazione e i materiali a bassa dimensionalità, come i nanotubi riempiti con nanocluster metallici, sono una combinazione ideale l'uno per l'altro perché consentono un'efficace combinazione di progressi nella chimica analitica e teorica con gli ultimi sviluppi della microscopia elettronica, portando a una nuova comprensione dei fenomeni su scala atomica, come la nanocatalisi in questo lavoro."

    Osservare i nanocluster con una risoluzione senza precedenti

    Kecheng Cao, dottorato di ricerca studente all'Università di Ulm, che ha effettuato l'analisi delle immagini in questo studio ha detto:"Quando guardo gli atomi attraverso il microscopio, a volte smetto di respirare per vedere i dettagli invisibili che scopriamo per i nanocluster sul nostro microscopio SALVE III di nuova concezione che fornisce una risoluzione senza precedenti".

    Elena Besley, Il Professore di Chimica Teorica e Computazionale all'Università di Nottingham ha dichiarato:"Raggiungendo all'interno dei più piccoli blocchi di metallo, questo studio ha dimostrato che i nanocluster metallici intrappolati in provette di nanotubi di carbonio forniscono una piattaforma universale per lo studio della chimica organometallica e consentono un confronto diretto del legame e della reattività di diversi metalli di transizione, nonché delucidazione della relazione struttura-prestazioni per i nanocatalizzatori, vitale per il scoperta di nuovi meccanismi di reazione e catalizzatori più efficienti del futuro. Questo studio fornisce un primo assaggio qualitativo di una prospettiva globale del legame metallo-carbonio".

    Questo studio è l'ultimo di una serie di oltre 20 articoli congiunti di alto livello sul tema della microscopia elettronica per molecole e nanomateriali pubblicati dalla collaborazione Ulm-Nottingham.


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