Da quando è stato proposto che gli atomi siano i mattoni del mondo, gli scienziati hanno cercato di capire come e perché si legano tra loro. Che si tratti di una molecola (che è un gruppo di atomi uniti tra loro in un modo particolare), o un blocco di materiale o un intero organismo vivente, in definitiva, tutto è controllato dal modo in cui gli atomi si legano, e il modo in cui i legami si rompono.

La sfida è che le lunghezze dei legami chimici sono comprese tra 0,1 e 0,3 nm, circa mezzo milione di volte più piccolo della larghezza di un capello umano, rendendo difficile l'imaging diretto del legame tra una coppia di atomi. Metodi avanzati di microscopia, come la microscopia a forza atomica (AFM) o la microscopia a effetto tunnel (STM), può risolvere posizioni atomiche e misurare direttamente le lunghezze dei legami, ma filmando legami chimici da spezzare o da formare, con continuità spazio-temporale, in tempo reale, rimane ancora una delle più grandi sfide della scienza.

Questa sfida è stata raccolta da un gruppo di ricerca del Regno Unito e della Germania guidato dal professor Ute Kaiser, capo della Microscopia elettronica della scienza dei materiali presso l'Università di Ulm, e il professor Andrei Khlobystov della School of Chemistry dell'Università di Nottingham hanno pubblicato "Imaging an unsupported metal-metal bond in dirhenium molecole at the atomic scale' in Progressi scientifici , una rivista dell'American Association for the Advancement of Science che copre tutti gli aspetti dello sforzo scientifico.

Atomi in una provetta nano

Questo gruppo di ricercatori è noto per il suo uso pionieristico della microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per filmare "filmati" di reazioni chimiche a livello di singola molecola, e la dinamica di minuscoli ammassi di atomi di metallo nei nanocatalizzatori utilizza nanotubi di carbonio, cilindri cavi di carbonio atomicamente sottili con diametri su scala molecolare (1-2 nm) come provette in miniatura per atomi.

Professor Andrei Khlobystov, ha detto:"I nanotubi ci aiutano a catturare atomi o molecole, e posizionarli esattamente dove vogliamo. In questo caso abbiamo intrappolato una coppia di atomi di renio (Re) legati insieme per formare Re2. Poiché il renio ha un numero atomico elevato, è più facile da vedere in TEM rispetto a elementi più leggeri, permettendoci di identificare ogni atomo di metallo come un punto scuro."

Professoressa Ute Kaiser, ha aggiunto:"Mentre abbiamo ripreso queste molecole biatomiche con lo stato dell'arte dell'aberrazione cromatica e sferica corretta SALVE TEM, abbiamo osservato le dinamiche su scala atomica di Re2 adsorbito sul reticolo grafitico del nanotubo e scoperto che la lunghezza del legame cambia in Re2 in una serie di passaggi discreti".

Un duplice uso del fascio di elettroni

Il gruppo ha una ricca esperienza nell'uso del raggio di elettroni come strumento per un duplice scopo:imaging preciso delle posizioni atomiche e attivazione di reazioni chimiche dovute all'energia trasferita dagli elettroni veloci del raggio di elettroni agli atomi. Il trucco "due in uno" con TEM ha permesso a questi ricercatori di registrare filmati di molecole che reagivano in passato, e ora sono stati in grado di filmare due atomi legati insieme in Re2 che "camminano" lungo il nanotubo in un video continuo. Dottor Kecheng Cao, Assistente di ricerca presso l'Università di Ulm che ha scoperto questo fenomeno e ha eseguito gli esperimenti di imaging, ha detto:"Era sorprendentemente chiaro come i due atomi si muovono in coppia, indicando chiaramente un legame tra loro. È importante sottolineare che mentre Re2 scende lungo il nanotubo, la lunghezza del legame cambia, indicando che il legame diventa più forte o più debole a seconda dell'ambiente intorno agli atomi."

Rompere il legame

Dopo un periodo di tempo, gli atomi di Re2 esibivano vibrazioni che distorcevano le loro forme circolari su ellissi e allungavano il legame. Poiché la lunghezza del legame ha raggiunto un valore superiore alla somma dei raggi atomici, il legame si spezzò e la vibrazione cessò, indicando che gli atomi sono diventati indipendenti l'uno dall'altro. Poco dopo gli atomi si unirono di nuovo, riformare una molecola Re2.

Dottor Stephen Skowron, Assistente di ricerca post-dottorato presso l'Università di Nottingham che ha effettuato i calcoli per il legame Re2, disse:"I legami tra gli atomi di metallo sono molto importanti in chimica, in particolare per la comprensione magnetica, elettronico, o proprietà catalitiche dei materiali. Ciò che lo rende difficile è che i metalli di transizione, come Re, possono formare legami di ordine diverso, da legami singoli a quintuple. In questo esperimento TEM abbiamo osservato che i due atomi di renio sono legati principalmente attraverso un legame quadruplo, fornendo nuove conoscenze fondamentali sulla chimica dei metalli di transizione."

Il microscopio elettronico come nuovo strumento analitico per i chimici

Andrei Khlobystov, disse:"A nostra conoscenza, questa è la prima volta che l'evoluzione del legame, la rottura e la formazione sono state registrate su pellicola su scala atomica. La microscopia elettronica sta già diventando uno strumento analitico per determinare le strutture delle molecole, in particolare con l'avanzata del TEM criogenico riconosciuto dal Premio Nobel 2017 per la Chimica. Stiamo spingendo le frontiere dell'imaging molecolare oltre la semplice analisi strutturale, e verso la comprensione delle dinamiche delle singole molecole in tempo reale." Il team crede che un giorno in futuro la microscopia elettronica potrebbe diventare un metodo generale per studiare le reazioni chimiche, simili ai metodi spettroscopici ampiamente utilizzati nei laboratori di chimica.