La microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo oscuro anulare ad alto angolo può essere utilizzata per determinare complesse strutture conformazionali di molecole di coordinazione polinucleari non planari sia cristalline che amorfe, come dimostrato dagli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Usando l'iridio come metallo tracciante, sono riusciti a determinare le diverse conformazioni di una molecola di composto di coordinazione altamente ramificata. Ciò ha aperto possibilità per l'imaging e la progettazione di complesse molecole organiche e inorganiche.

I composti di coordinazione hanno strutture molecolari che consistono di uno o più atomi di metallo al centro, circondato da atomi non metallici. Le loro affascinanti proprietà fisiche e chimiche, che hanno applicazioni significative nella scienza dei materiali, dipendono in gran parte dalla loro struttura molecolare. Così, è necessaria un'analisi definitiva della loro struttura molecolare, non solo per comprenderne le proprietà, ma anche per progettare composti di coordinazione specifici con funzioni mirate.

Sebbene siano disponibili diversi metodi analitici per la determinazione strutturale dei composti di coordinazione, ognuno ha i suoi limiti. Per esempio, La cristallografia a raggi X può solo determinare la struttura dei composti cristallini, mentre la risonanza magnetica nucleare non può fornire risultati accurati quando sono coinvolti atomi paramagnetici. Una tecnica di microscopia più recente, microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo oscuro anulare ad alto angolo (HAADF-STEM), che ha rivoluzionato il campo dell'imaging molecolare con la visualizzazione in tempo reale di singole molecole di coordinazione, è anche limitato all'osservazione di molecole semplici e planari. Quindi, la determinazione strutturale di varie conformazioni (tutti i possibili orientamenti spaziali degli atomi) di molecole di coordinazione polinucleare sia cristalline che amorfe rimane inesplorata.

Per colmare questa lacuna, un team di ricercatori del Tokyo Institute of Technology, guidato dal Professor Kimihisa Yamamoto e dal Professore Associato Takane Imaoka, hanno sviluppato un nuovo metodo di imaging utilizzando un tracciante di atomi di metallo in HAADF-STEM per determinare le strutture conformazionali di composti di coordinazione polinucleare complessi e altamente ramificati. I loro risultati sono pubblicati in Progressi scientifici . Spiegando il nuovo metodo, Il prof. Imaoka afferma che "usando l'iridio come tracciante di metalli, perché il suo alto numero atomico (Z=77) fornirà una migliore visualizzazione con HAADF-STEM, abbiamo sintetizzato composti dendritici di fenilazometina (DPA) fissati con iridio. Quindi, abbiamo determinato le condizioni operative ottimali per HAADF-STEM, in base al quale le diverse conformazioni di questi composti DPA altamente ramificati potrebbero essere determinate con la massima precisione."

Per determinare le condizioni operative ottimali per HAADF-STEM, i ricercatori hanno osservato campioni di composto iridio-DPA, disperso sulla superficie della nanopolvere di grafene, in una varietà di condizioni operative. Hanno scoperto che la riduzione della corrente del raggio a 7 pA e il tempo di esposizione per pixel a 8 microsecondi e l'utilizzo di un basso ingrandimento hanno contribuito a ridurre il danno al composto iridio-DPA e hanno consentito l'osservazione riuscita della sua struttura. Gli atomi di iridio appaiono come punti luminosi nelle immagini HAADF-STEM, indicando la loro posizione nella struttura della molecola.

Una volta ottenuta l'immagine HAADF-STEM della molecola di iridio-DPA utilizzando le condizioni ottimali, i ricercatori lo hanno confrontato con immagini simulate di tutte le possibili conformazioni della molecola per trovare la corrispondenza più vicina. Le strutture catturate nelle immagini sperimentali HAADF-STEM si adattano molto bene alle strutture conformazionali simulate. Così, l'orientamento conformazionale più accurato di una molecola può essere facilmente determinato confrontando HAADF-STEM e immagini simulate.

Le potenziali applicazioni di questa tecnologia HAADF-STEM guidata da metalli pesanti non si limitano solo ai composti di coordinamento dell'analisi strutturale. Evidenziando il lavoro futuro, Il prof. Imaoka osserva, "Il nostro studio è uno sforzo pionieristico nell'imaging di strutture conformazionali di macromolecole complesse. Poiché questa tecnologia è efficace sia per i composti cristallini che per quelli amorfi, riteniamo che questa tecnologia possa essere applicata anche per la determinazione delle strutture di peptidi multinucleari attraverso la complessazione con atomi di metalli traccianti, e il lavoro su questo settore è già in corso".