Credito:Tokyo Institute of Technology
In una svolta, i ricercatori della Tokyo Tech sono riusciti a osservare e caratterizzare l'assemblaggio dinamico di atomi metallici utilizzando un'ingegnosa combinazione di microscopia elettronica a trasmissione a scansione e tracciamento basato su video. Visualizzando molecole di breve durata, come dimeri metallici e trimeri, che non possono essere osservate con i metodi tradizionali, i ricercatori aprono la possibilità di osservare più strutture dinamiche di questo tipo previste dalle simulazioni.
La chimica è lo studio della formazione di legami (o dissociazione) tra atomi. La conoscenza di come si formano i legami chimici è, infatti, fondamentale non solo per tutta la chimica ma anche per campi come la scienza dei materiali. Tuttavia, la chimica tradizionale è stata in gran parte limitata allo studio dei composti stabili. Lo studio dell'assemblaggio dinamico tra atomi durante una reazione chimica ha ricevuto poca attenzione. Con i recenti progressi della chimica computazionale, tuttavia, le strutture dinamiche e di breve durata stanno acquistando importanza. L'osservazione sperimentale e la caratterizzazione del legame dinamico previsto tra atomi, come la formazione di dimeri metallici, potrebbe aprire nuove frontiere di ricerca nella chimica e nella scienza dei materiali.
Tuttavia, l'osservazione di questa dinamica del legame richiede anche lo sviluppo di una nuova metodologia. Questo perché le tecniche di caratterizzazione convenzionali forniscono solo un'informazione strutturale mediata nel tempo e sono, quindi, inadeguate per osservare i legami mentre si formano.
In questo contesto, i ricercatori giapponesi guidati dal Professore Associato Takane Imaoka del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno ora fornito una soluzione ingegnosa. Nel loro studio pubblicato su Nature Communications , il team ha utilizzato una combinazione di tracciamento video e una tecnica denominata "microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo scuro anulare" (ADF-STEM) per eseguire l'imaging sequenziale di diversi atomi di metallo che interagiscono tra loro. Ciò ha permesso loro di osservare direttamente strutture transitorie risultanti dall'assemblaggio di due atomi simili (dimeri omo-metallici), due atomi diversi (dimeri etero-metallici) e tre atomi diversi (trimeri etero-metallici).
Il team ha iniziato depositando atomi di atomi di oro (Ag), argento (Ag) e rame (Cu) su una nanopiastra di grafene utilizzando un metodo chiamato "deposizione di plasma ad arco". Per garantire che fosse disponibile un numero sufficiente di singoli atomi isolati, la deposizione è stata limitata a circa 0,05–0,015 monostrati e sono state eseguite osservazioni ad alto ingrandimento sulle regioni piatte del substrato di grafene.
"L'identificazione elementare degli atomi era disponibile con il monitoraggio in tempo reale degli atomi in movimento, mentre l'ADF-STEM permetteva di osservare gli atomi sotto la dose di elettroni. Questo ci ha aiutato a evitare le densità di corrente elevate tipicamente necessarie per l'analisi di un singolo atomo, che può causare danni materiali", spiega il dottor Imaoka.
Inoltre, l'imaging ADF-STEM ha mostrato un'accuratezza di discriminazione atomica estremamente elevata, che va dal 98,7% per Au–Ag al 99,9% per le coppie Au–Cu. Anche altri accoppiamenti hanno mostrato livelli simili di discriminazione. Inoltre, il team è stato anche in grado di osservare Au–Ag–Cu, un trimero eterometallico di durata estremamente breve.
"Sebbene le nostre istantanee non fossero perfettamente in accordo con le strutture previste dai calcoli teorici, le lunghezze medie di legame tra gli elementi nelle strutture osservate sono in buon accordo con i calcoli", afferma il dott. Imaoka.
I risultati di questo studio potrebbero portare a rapidi sviluppi nella nanoscienza, dove la caratterizzazione dei cluster metallici e delle subnanoparticelle sta acquisendo importanza e, nel processo, aprire le porte a un regno della materia completamente nuovo. + Esplora ulteriormente
