Da quando è stata dimostrata l'esistenza delle molecole e sono state previste reazioni molecolari, gli umani hanno voluto osservare visivamente come procedono tali eventi. Tali osservazioni di reazioni di singole molecole sono molto importanti per la comprensione fondamentale delle scienze chimiche, che aiuterebbe nello sviluppo di nuovi catalizzatori, materiali, o droghe, e aiutaci a decifrare i complessi processi biochimici. Però, questo non è stato possibile per molto tempo nella chimica moderna, e finora le informazioni sui processi dinamici su scala nanometrica sono state ottenute solo da metodi indiretti perché le molecole erano troppo piccole per essere visualizzate.

Recenti scoperte dei ricercatori del Center for Nanomedicine all'interno dell'Institute for Basic Science, Corea del Sud, insieme a ricercatori dal Giappone e dalla Germania potrebbe aver appena cambiato questo. Il gruppo ha osservato con successo la sintesi dal basso verso l'alto del fullerene C60, che è un allotropo di carbonio che ricorda un pallone da calcio, e ha prodotto un'immagine video che descrive in dettaglio il processo utilizzando la microscopia elettronica in tempo reale a risoluzione atomica a singola molecola (SMART-EM). Ciò è stato reso possibile con l'avvento della microscopia elettronica a trasmissione con correzione dell'aberrazione (TEM) e la creazione delle condizioni per la risoluzione di oggetti di dimensioni subnanometriche come molecole e persino singoli atomi.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno lavorato con un derivato del trussene su misura (C60H30), che ha la forma di un pallone da calcio piatto come materiale di partenza. Per l'osservazione TEM, il truxene è stato fissato su un monostrato di grafene, che impedisce alla molecola di subire una rapida traslazione sulla superficie o addirittura il distacco nel vuoto. Attraverso l'isolamento di una singola molecola sulla superficie, sono stati in grado di studiare processi dinamici senza l'interferenza di altre molecole. Questo materiale bidimensionale piatto è stato quindi irradiato con un fascio di elettroni altamente energetico fino a 80, 000 V, che è centinaia di volte maggiore della tensione che si trova nelle prese elettriche domestiche.

Cosa succede alla molecola se viene esposta a un fascio di elettroni così potente? Se la molecola segue le regole dei classici libri di testo di chimica organica, la condizione estrema costringerebbe il truxene a perdere i suoi idrogeni mediante un processo noto come ciclodeidrogenazione, che fa sì che gli atomi di carbonio rimanenti all'interno della molecola si pieghino in una forma sferica (Figura 1). Ma se i percorsi ad alta energia dominano, una decomposizione imprevedibile, fino alla completa atomizzazione della molecola, sarebbe il risultato.

Correlando ampiamente le immagini TEM reali con quelle dei modelli simulati (Figura 2), i ricercatori hanno scoperto che la molecola di truxene inizialmente subisce una reazione di ciclodeidrogenazione controllata cineticamente e termodinamicamente. Le osservazioni TEM hanno rivelato che il percorso di reazione avviene tramite intermedi chiave termodinamicamente favoriti attraverso meccanismi di reazione organici apparentemente classici, che sono stati identificati e catturati in video. Così, hanno dimostrato che il fascio di elettroni trasferisce energia cinetica ai nuclei ed eccita gli stati vibrazionali della molecola, che fornisce alla molecola energia sufficiente per subire reazioni chimiche. È importante sottolineare che si è riscontrato che la sezione trasversale (probabilità) per la via chimica convenzionale è maggiore di quella per la scissione distruttiva del legame CH.

Questi risultati descrivono per la prima volta l'analisi in spazio reale e in tempo reale di una trasformazione discreta da molecola a molecola, catturato in video. Questa osservazione nello spazio reale di una reazione chimica discreta è una pietra miliare nelle scienze chimiche e porterà a una comprensione più profonda dei processi chimici fondamentali su scala nanometrica. L'identificazione degli intermedi chiave ha anche rivelato nuove intuizioni sulle reazioni guidate da fasci di elettroni. I ricercatori intendono esplorare l'intera portata della tecnica SMART-EM applicandola a sistemi più grandi, come l'analisi di mezzi liquidi. Ciò farà avanzare ulteriormente la ricerca nei campi che vanno dalla chimica dei nanomateriali alle scienze biomediche, dove la comprensione delle interazioni fascio-materia è della massima importanza. Le conoscenze acquisite in questi studi aiuteranno anche a progettare nuove strategie per sintetizzare i nanomateriali utilizzando la litografia a fascio di elettroni.