Realtime beeldvorming van dynamische atoom-atoominteracties

In een doorbraak zijn Tokyo Tech-onderzoekers erin geslaagd om dynamische assemblage van metaalatomen te observeren en te karakteriseren met behulp van een ingenieuze combinatie van scanning transmissie-elektronenmicroscopie en een op video gebaseerde tracking. Door het visualiseren van kortlevende moleculen, zoals metaalachtige dimeren en trimeren, die niet kunnen worden waargenomen met traditionele methoden, openen de onderzoekers de mogelijkheid om meer van dergelijke dynamische structuren te observeren die door simulaties worden voorspeld.

Chemie is de studie van bindingsvorming (of dissociatie) tussen atomen. De kennis van hoe chemische bindingen worden gevormd, is in feite van fundamenteel belang voor niet alleen de hele scheikunde, maar ook voor gebieden als materiaalkunde. De traditionele chemie is echter grotendeels beperkt gebleven tot de studie van stabiele verbindingen. De studie van dynamische assemblage tussen atomen tijdens een chemische reactie heeft weinig aandacht gekregen. Met recente vorderingen in de computationele chemie winnen dynamische, kortstondige structuren echter aan belang. Experimentele observatie en karakterisering van voorspelde dynamische binding tussen atomen, zoals de vorming van metallische dimeren, zou nieuwe onderzoeksgrenzen kunnen openen in de chemie en materiaalkunde.

Het observeren van deze obligatiedynamiek vereist echter ook de ontwikkeling van een nieuwe methodologie. Dit komt omdat conventionele karakteriseringstechnieken alleen structurele informatie over de tijd geven en dus niet geschikt zijn voor het observeren van de bindingen terwijl ze worden gevormd.

Tegen deze achtergrond hebben onderzoekers uit Japan onder leiding van universitair hoofddocent Takane Imaoka van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) nu een ingenieuze oplossing geboden. In hun studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie, gebruikte het team een ​​combinatie van video-tracking en een techniek genaamd “annular dark field scanning transmissie-elektronenmicroscopie” (ADF-STEM) om sequentiële beeldvorming uit te voeren van verschillende metaalatomen die met elkaar in wisselwerking staan. Hierdoor konden ze tijdelijke structuren direct observeren die het resultaat zijn van een assemblage van twee vergelijkbare atomen (homometaaldimeren), twee verschillende atomen (heterometaaldimeren) en drie verschillende atomen (heterometaaltrimeren).

Het team begon met het afzetten van atomen van atomen van goud (Ag), zilver (Ag) en koper (Cu) op een grafeen-nanoplaat met behulp van een methode die ‘arc-plasma-depositie’ wordt genoemd. Om ervoor te zorgen dat er voldoende geïsoleerde enkele atomen beschikbaar waren, was de afzetting beperkt tot ongeveer 0,05-0,015 monolagen en werden waarnemingen met hoge vergroting uitgevoerd op de vlakke delen van het grafeensubstraat.

“De elementaire identificatie van de atomen was beschikbaar met realtime tracking van de bewegende atomen, terwijl ADF-STEM het mogelijk maakte de atomen te observeren onder elektronendosis. Dit hielp ons hoge stroomdichtheden te vermijden die typisch nodig zijn voor analyse van één atoom, wat kan materiële schade veroorzaken”, legt dr. Imaoka uit.

Bovendien vertoonde ADF-STEM-beeldvorming een extreem hoge nauwkeurigheid van atoomdiscriminatie, variërend van 98,7% voor Au-Ag tot 99,9% voor Au-Cu-paren. Andere paren vertoonden ook vergelijkbare niveaus van discriminatie. Bovendien kon het team ook Au-Ag-Cu waarnemen, een extreem kortlevend heterometaaltrimeer.

“Hoewel onze snapshots niet perfect overeenkwamen met de structuren die werden voorspeld door theoretische berekeningen, komen de gemiddelde bindingslengtes tussen de elementen in de waargenomen structuren goed overeen met de berekeningen”, zegt Dr. Imaoka.

De bevindingen van deze studie kunnen leiden tot snelle ontwikkelingen in de nanowetenschap, waar de karakterisering van metaalclusters en subnanodeeltjes aan belang wint, en, in het proces, deuren openen naar een geheel nieuw rijk van materie.