Электронный микроскоп позволяет отследить динамику формирования металлической связи между атомами

0 Comments

Физики из университетов Ноттингема и Ульма получили и зафиксировали изображение движущейся связанной пары атомов рения (Re2) в углеродной нанотрубке — полом цилиндре размерами порядка нанометров, который служит «испытательным полигоном» для исследования свойств некоторых атомов. Результаты исследования опубликованы 17 января в статье в Science Advance.

Для исследования вещества на околоатомном уровне долгое время использовались методы спектроскопии, дающие косвенную информацию о структуре молекул и их связях. С появлением электронной микроскопии и других методов получения прямого изображения на уровне отдельных атомов физики всё больше интересуются возможностью заснять атомы и проследить за формированием их связей. Пока что такой фиксации поддаются только некоторые простые системы атомов, и попутно приходится преодолевать множество трудностей с подготовкой системы и выделением полезного сигнала.

Получение «фотографий атомов» в обычном понимании невозможно в принципе, и дело здесь не в увеличительных способностях техники. Детальность изображения микрообъектов имеет естественный предел — длину волны света, которым объекты освещаются. Видимый свет имеет характерные длины волн около 500 нм. Всё, что меньше этого размера будет отображаться как расплывчатое пятно, а объекты ощутимо меньше — не будут видны вообще: волна просто пройдёт, «не заметив» их. Характерные размеры атомов измеряются нанометрами, а длины связей имеют размеры в доли нанометра.

Логотип IBM, «набранный» из отдельных атомов ксенона (1989).
В 2018 году по научно-популярным сообществам распространилась «фотография» единичного атома стронция в обычном свете, подвешенного в вакуумной камере и освещаемого лазером со светом определённой длины волны. Автор получил за неё первый приз на популярном конкурсе научной фотографии. Секрет «фокуса» заключается в том, что освещаемые ультрафиолетовым светом со строго определённой частотой атомы переизлучают свет уже в видимом диапазоне, который и можно зафиксировать с длительной экспозицией. Это не фотография атома, а фактически рисунок светового пятна от него значительно больших размеров. Подобным образом в сети ходят другие более старые «фотографии атомов», полученные при помощи подобных трюков. Например, одним из самых ранних стал снимок инженеров IBM, в 1989 году выложивших отдельными атомами ксенона логотип фирмы. Более известны полученные уже в XXI веке многочисленные изображения различных поверхностей с субатомным разрешением, в частности, золотых или графитовых пластинок, выполняемые при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Здесь также нельзя говорить о фотографии в строгом понимании термина — в качестве «источника света» работает туннельный ток между участками поверхности и электродом устройства, а само изображение получается последовательно перемещением его вдоль поверхности, как в сканере.

Для получения именно «изображения атома» требуется свет со значительно меньшей длиной волны, порядка нанометров и меньше. Это область рентгеновского излучения, и такие фотоны обладают ощутимой энергией, чтобы исказить картину или даже разрушить объект, выбив атом из решётки или разрушив атомную связь. Поэтому фотографирование атомов, как и других микрообъектов — это всегда нахождение в «вилке» возможностей: компромисс между разрешающей способностью прибора и целостностью квантового объекта в результате «фотосессии». Это проблема, лежащая в основе квантовой механики и заложенная в её постулаты, в частности она проявляется в фундаментальном принципе неопределённости Гейзенберга.

Кроме рентгеновского излучения, в качестве «источника света» можно использовать и другие объекты. Так, для исследования связи в этом атоме Re2, или ди-рения, используется трансмиссионная электронная микроскопия (TEM). Рений — довольно тяжёлый элемент по сравнению с «подложкой» из углеродной нанотрубки, поэтому на изображении от просвечивающего электронного микроскопа их пара чётко проявляется как два тёмных пятна в отличие от полупрозрачных пятен от атомов углерода. Электронный пучок в этой задаче имеет двоякое применение: он служит «источником света» для изображения, и в то же время передаёт энергию для двойного атома, которая позволяет наблюдать его перемещение по подложке, а также образование и разрыв металлической связи в динамике. На серии последовательных снимков, которые смонтировали в 18-секундный ролик, видно, как по мере движения пары атомов изменяется расстояние между ними, напрямую связанное с кратностью (порядком) связи, в зависимости от локального атомного окружения пары.

Типичные рабочие изображения «молекулы» Re2 внутри углеродной нанотрубки в просвечивающем электронном пучке. Рис. из: Cao et al. (2020), Sci. Adv. 6(3), eaay5849.

Связь между атомами металлов (M-M) на сегодня — самый неизученный тип химической связи между атомами в молекуле или кристаллической решётке. Исследовательская группа является одной из первых, начавших использовать электронную микроскопию в проходящем пучке для изучения динамики химических реакций и небольших кластеров из атомов металла в углеродных нанотрубках. Адсорбирование на такой подложке оказалось хорошим способом точного позиционирования и подготовки пары атомов, позволяя получить металлическую связь «в чистом виде», без артефактов, связанных с упаковкой атомов в кристалле. Изображение эволюции металлической связи в связи с прохождением «молекулы» Re2 по нанотрубке в этом эксперименте получено впервые. Трансмиссионная электронная микроскопия как аналитический инструмент сейчас набирает популярность; возможно, этому способствовала и Нобелевская премия 2017 года по химии «за развитие криоэлектронной микроскопии для исследования биомолекул». Сам метод в будущем обещает стать стандартным инструментом исследования структуры молекул и динамики химических реакций в той же мере, как сейчас для исследования состава вещества используется спектроскопия.

Пара из атомов рения, перемещающаяся по двум углеродным нанотрубкам с разрывом и повторным образованием металлической связи.

Источник: 22century.ru

Ещё новости

Добавить комментарий