Desde que foi proposto que os átomos são os blocos de construção do mundo, os cientistas têm tentado entender como e por que eles se ligam. Seja uma molécula (que é um grupo de átomos unidos de uma maneira particular), ou um bloco de material ou um organismo vivo inteiro, em última análise, tudo é controlado pela forma como os átomos se ligam, e a forma como os laços se rompem.

O desafio é que os comprimentos das ligações químicas estão entre 0,1-0,3 nm, cerca de meio milhão de vezes menor que a largura de um cabelo humano, tornando difícil a imagem direta da ligação entre um par de átomos. Métodos avançados de microscopia, como microscopia de força atômica (AFM) ou microscopia de tunelamento de varredura (STM), pode resolver posições atômicas e medir comprimentos de ligação diretamente, mas filmar ligações químicas para quebrar ou formar, com continuidade espaço-temporal, em tempo real, ainda permanece um dos maiores desafios da ciência.

Este desafio foi enfrentado por uma equipe de pesquisa do Reino Unido e da Alemanha liderada pelo professor Ute Kaiser, chefe da Microscopia Eletrônica de Ciência de Materiais na Universidade de Ulm, e o professor Andrei Khlobystov na Escola de Química da Universidade de Nottingham, eles publicaram "Imaging uma ligação metal-metal sem suporte em moléculas de dirênio em escala atômica" em Avanços da Ciência , um jornal da Associação Americana para o Avanço da Ciência cobrindo todos os aspectos do esforço científico.

Átomos em um tubo de ensaio nano

Este grupo de pesquisadores é conhecido por seu uso pioneiro de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para filmar 'filmes' de reações químicas no nível de uma única molécula, e a dinâmica de minúsculos aglomerados de átomos de metal em nanocatalisadores utiliza nanotubos de carbono - cilindros ocos de carbono atomicamente finos com diâmetros em escala molecular (1-2 nm) como tubos de ensaio em miniatura para átomos.

Professor Andrei Khlobystov, disse:"Os nanotubos nos ajudam a capturar átomos ou moléculas, e posicioná-los exatamente onde queremos. Nesse caso, prendemos um par de átomos de rênio (Re) ligados para formar Re2. Como o rênio tem um alto número atômico, é mais fácil ver em TEM do que elementos mais leves, permitindo-nos identificar cada átomo de metal como um ponto escuro. "

Professor Ute Kaiser, acrescentou:"Como imaginamos essas moléculas diatômicas pelo estado da arte da aberração cromática e esférica corrigida SALVE TEM, observamos a dinâmica em escala atômica do Re2 adsorvido na rede grafítica do nanotubo e descobrimos que o comprimento da ligação muda no Re2 em uma série de etapas discretas. "

Um uso duplo de feixe de elétrons

O grupo tem um rico histórico de uso do feixe de elétrons como uma ferramenta de duplo propósito:imagens precisas de posições atômicas e ativação de reações químicas devido à energia transferida de elétrons rápidos do feixe de elétrons para os átomos. O truque "dois em um" com TEM permitiu que esses pesquisadores gravassem filmes de moléculas reagindo no passado, e agora eles eram capazes de filmar dois átomos ligados em Re2 'andando' ao longo do nanotubo em um vídeo contínuo. Dr. Kecheng Cao, Assistente de pesquisa na Universidade de Ulm que descobriu este fenômeno e realizou os experimentos de imagem, disse:"Ficou surpreendentemente claro como os dois átomos se movem em pares, indicando claramente um vínculo entre eles. Mais importante, conforme Re2 se move para baixo no nanotubo, o comprimento da ligação muda, indicando que a ligação se torna mais forte ou mais fraca, dependendo do ambiente ao redor dos átomos. "

Quebrando o vínculo

Após um período de tempo, átomos de Re2 exibiram vibrações distorcendo suas formas circulares em elipses e esticando a ligação. À medida que o comprimento da ligação atingiu um valor superior à soma dos raios atômicos, o vínculo se rompeu e a vibração cessou, indicando que os átomos se tornaram independentes uns dos outros. Um pouco mais tarde, os átomos se juntaram novamente, reformar uma molécula Re2.

Dr. Stephen Skowron, Assistente de pesquisa de pós-doutorado na University of Nottingham que realizou os cálculos para ligação Re2, disse:"Ligações entre átomos de metal são muito importantes na química, particularmente para entender o magnético, eletrônico, ou propriedades catalíticas dos materiais. O que o torna desafiador é que os metais de transição, como Re, pode formar laços de diferentes ordens, de títulos simples a quíntuplos. Neste experimento TEM, observamos que os dois átomos de rênio estão ligados principalmente por uma ligação quádrupla, fornecendo novos insights fundamentais sobre a química do metal de transição. "

Microscópio eletrônico como uma nova ferramenta analítica para químicos

Andrei Khlobystov, disse:"Até onde sabemos, esta é a primeira vez que a evolução do vínculo, a quebra e a formação foram registradas em filme em escala atômica. A microscopia eletrônica já está se tornando uma ferramenta analítica para determinar estruturas de moléculas, particularmente com o avanço do TEM criogênico reconhecido pelo Prêmio Nobel de Química de 2017. Agora estamos expandindo as fronteiras da imagem de moléculas além da análise estrutural simples, e para a compreensão da dinâmica de moléculas individuais em tempo real. "A equipe acredita que um dia, no futuro, a microscopia eletrônica pode se tornar um método geral para estudar reações químicas, semelhantes aos métodos espectroscópicos amplamente usados ​​em laboratórios de química.