Desde que se propuso que los átomos son los componentes básicos del mundo, los científicos han estado tratando de comprender cómo y por qué se vinculan entre sí. Ya sea una molécula (que es un grupo de átomos unidos de una manera particular), o un bloque de material o un organismo vivo completo, por último, todo está controlado por la forma en que se unen los átomos, y la forma en que se rompen los lazos.

El desafío es que las longitudes de los enlaces químicos oscilan entre 0,1 y 0,3 nm, aproximadamente medio millón de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, dificultando la obtención de imágenes directas de la unión entre un par de átomos. Métodos avanzados de microscopía, como microscopía de fuerza atómica (AFM) o microscopía de túnel de barrido (STM), puede resolver posiciones atómicas y medir la longitud de los enlaces directamente, pero filmando enlaces químicos para romperse o formarse, con continuidad espacio-temporal, en tiempo real, sigue siendo uno de los mayores retos de la ciencia.

Este desafío ha sido superado por un equipo de investigación del Reino Unido y Alemania dirigido por el profesor Ute Kaiser, jefe de Microscopía Electrónica de Ciencia de Materiales en la Universidad de Ulm, y el profesor Andrei Khlobystov de la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham, han publicado "Imágenes de un enlace metal-metal sin soporte en moléculas de dirhenio a escala atómica" en Avances de la ciencia , una revista de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia que cubre todos los aspectos del esfuerzo científico.

Átomos en un nano tubo de ensayo

Este grupo de investigadores es conocido por su uso pionero de la microscopía electrónica de transmisión (TEM) para filmar 'películas' de reacciones químicas a nivel de una sola molécula. y la dinámica de pequeños grupos de átomos metálicos en nanocatalizadores utilizan nanotubos de carbono, cilindros de carbono huecos atómicamente delgados con diámetros a escala molecular (1-2 nm) como tubos de ensayo en miniatura para átomos.

Profesor Andrei Khlobystov, dijo:"Los nanotubos nos ayudan a atrapar átomos o moléculas, y colocarlos exactamente donde queramos. En este caso atrapamos un par de átomos de renio (Re) unidos para formar Re2. Debido a que el renio tiene un número atómico alto, es más fácil de ver en TEM que los elementos más ligeros, permitiéndonos identificar cada átomo de metal como un punto oscuro ".

Profesor Ute Kaiser, agregó:"A medida que obtuvimos imágenes de estas moléculas diatómicas mediante el estado de la técnica de la aberración cromática y esférica corregida SALVE TEM, observamos la dinámica a escala atómica de Re2 adsorbido en la red grafítica del nanotubo y descubrimos que la longitud del enlace cambia en Re2 en una serie de pasos discretos ".

Un doble uso del haz de electrones

El grupo tiene un amplio historial de uso del haz de electrones como herramienta para un doble propósito:imágenes precisas de las posiciones atómicas y activación de reacciones químicas debido a la energía transferida de los electrones rápidos del haz de electrones a los átomos. El truco "dos en uno" con TEM permitió a estos investigadores grabar películas de moléculas que reaccionaban en el pasado, y ahora pudieron filmar dos átomos unidos en Re2 'caminando' a lo largo del nanotubo en un video continuo. Dr. Kecheng Cao, Asistente de investigación en la Universidad de Ulm que descubrió este fenómeno y realizó los experimentos de imágenes, dijo:"Estaba sorprendentemente claro cómo los dos átomos se mueven en pares, indicando claramente un vínculo entre ellos. En tono rimbombante, a medida que Re2 desciende por el nanotubo, la longitud del enlace cambia, lo que indica que el enlace se vuelve más fuerte o más débil dependiendo del entorno alrededor de los átomos ".

Rompiendo el vínculo

Despues de un período de tiempo, Los átomos de Re2 exhibieron vibraciones que distorsionaron sus formas circulares en elipses y estiraron el enlace. Como la longitud del enlace alcanzó un valor superior a la suma de los radios atómicos, el vínculo se rompió y la vibración cesó, lo que indica que los átomos se volvieron independientes entre sí. Un poco más tarde los átomos se unieron nuevamente, reformar una molécula de Re2.

Dr. Stephen Skowron, Asistente de investigación postdoctoral en la Universidad de Nottingham que realizó los cálculos para la unión Re2, dijo:"Los enlaces entre átomos metálicos son muy importantes en química, particularmente para comprender el magnetismo, electrónico, o propiedades catalíticas de los materiales. Lo que lo hace desafiante es que los metales de transición, como Re, puede formar enlaces de diferente orden, de enlaces simples a quíntuples. En este experimento TEM observamos que los dos átomos de renio están unidos principalmente a través de un enlace cuádruple, proporcionando nuevos conocimientos fundamentales sobre la química de los metales de transición ".

El microscopio electrónico como nueva herramienta analítica para químicos

Andrei Khlobystov, dijo:"Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que la evolución de los bonos, la rotura y la formación se registraron en una película a escala atómica. La microscopía electrónica ya se está convirtiendo en una herramienta analítica para determinar estructuras de moléculas, particularmente con el avance del TEM criogénico reconocido por el Premio Nobel de Química 2017. Ahora estamos empujando las fronteras de las imágenes de moléculas más allá del simple análisis estructural, y hacia la comprensión de la dinámica de moléculas individuales en tiempo real ". El equipo cree que algún día en el futuro, la microscopía electrónica puede convertirse en un método general para estudiar reacciones químicas, similar a los métodos espectroscópicos ampliamente utilizados en los laboratorios de química.