Los expertos del Centro de Investigación a nanoescala y microescala (nmRC) de la Universidad de Nottingham han dado un primer vistazo a la vida privada de los cúmulos atómicos.

Después de haber tenido éxito en 'filmar' reacciones químicas intermoleculares, utilizando el haz de electrones de un microscopio electrónico de transmisión (TEM) como una herramienta de imagen de cuadro de parada, ahora han logrado imágenes con resolución en el tiempo de la dinámica de escala atómica y las transformaciones químicas promovidas por nanoclusters metálicos. Esto les ha permitido clasificar 14 metales diferentes tanto por su enlace con el carbono como por su actividad catalítica. mostrando una variación significativa en la tabla periódica de elementos.

Su último trabajo, 'Comparación de la dinámica de escala atómica para los nanocatalizadores de metales de transición medios y tardíos', ha sido publicado en Comunicaciones de la naturaleza . Andrei Khlobystov, Profesor de Nanomateriales y Director de nmRC, dijo:"Gracias a los avances recientes en microscopía y espectroscopía, ahora sabemos mucho sobre el comportamiento de moléculas y átomos. Sin embargo, la estructura y dinámica de los grupos de elementos metálicos a escala atómica sigue siendo un misterio. La compleja dinámica atómica revelada directamente por imágenes en tiempo real arroja luz sobre el funcionamiento atomístico de los nanocatalizadores ".

Contribución al PIB mundial

La dinámica a escala atómica de los nanoclusters metálicos determina sus propiedades funcionales y químicas, como la actividad catalítica, es decir, su capacidad para aumentar la velocidad de una reacción química. Muchos procesos industriales clave actualmente se basan en nanocatalizadores como la purificación de agua; tecnologías de pilas de combustible; almacen de energia; y producción de biodiesel.

El profesor Khlobystov dijo:"Dado que las reacciones químicas catalíticas contribuyen sustancialmente al PIB mundial, comprender el comportamiento dinámico de los nanoclusters a nivel atómico es una tarea importante y urgente. Sin embargo, el desafío combinado de estructuras no uniformes de nanocatalizadores, por ejemplo, distribución de tamaños, formas fases cristalinas, que coexisten dentro del mismo material y su naturaleza altamente dinámica, los nanoclusters se someten a una extensa estructura y, en algunos casos, transformaciones químicas durante la catálisis:hace que la elucidación de los mecanismos atomísticos de su comportamiento sea virtualmente imposible ".

De la dinámica de una sola molécula a los cúmulos atómicos

El profesor Khlobystov dirigió la colaboración anglo-alemana que aprovechó el impacto del haz de electrones (e-beam) en la microscopía electrónica de transmisión (TEM) para obtener imágenes de la dinámica de una sola molécula. Al emplear el rayo electrónico simultáneamente como herramienta de imagen y fuente de energía para impulsar reacciones químicas, lograron filmar reacciones de moléculas. La investigación se publicó el año pasado en ACS Nano, una revista insignia de nanociencia y nanotecnología, y seleccionado como Elección del editor de ACS debido a su potencial para un amplio interés público.

En lugar de matraces de laboratorio o tubos de ensayo, emplean los tubos de ensayo más pequeños del mundo, nanotubos de carbono de pared simple, cilindros de carbono atómicamente delgados con diámetros internos de 1 a 2 nm que ostentan un récord mundial Guinness desde 2005.

Una tabla periódica en un nano tubo de ensayo

El profesor Khlobystov dijo:"Usamos estos nanotubos de carbono para tomar muestras de pequeños grupos de elementos químicos, cada uno de ellos consta de solo unas pocas docenas de átomos. Al atrapar los nanoclusters de una serie de elementos metálicos relacionados que creamos de manera efectiva en una tabla periódica en un tubo de ensayo nano, permitiendo una comparación global de la química de los metales de transición en la tabla periódica. Esto siempre ha sido un gran desafío porque la mayoría de los nanoclusters metálicos son muy sensibles al aire. La combinación del nano tubo de ensayo y TEM nos permite observar no solo la dinámica de los nanoclusters metálicos, sino también su unión con el carbono, que muestra un vínculo claro con la posición del metal en la tabla periódica ".

Ute Kaiser, El profesor de Física Experimental y Líder del Grupo de Microscopía Electrónica de Ciencia de Materiales de la Universidad de Ulm dijo:"La microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberraciones y los materiales de baja dimensión, como nanotubos llenos de nanoclusters metálicos, son una combinación ideal entre sí porque permiten una combinación efectiva de avances en química analítica y teórica con los últimos avances en microscopía electrónica, conduciendo a una nueva comprensión de los fenómenos a escala atómica, como la nanocatálisis en este trabajo ".

Observando nanoclusters con una resolución sin precedentes

Kecheng Cao, Doctor. estudiante de la Universidad de Ulm, que llevó a cabo el análisis de imágenes en este estudio dijo:"Cuando miro átomos a través del microscopio, a veces dejo de respirar para ver los detalles invisibles que descubrimos para los nanoclusters en nuestro microscopio SALVE III de nuevo desarrollo que proporciona una resolución sin precedentes ".

Elena Besley, El profesor de Química Teórica y Computacional en la Universidad de Nottingham dijo:"Alcanzar el interior de los bloques de construcción más pequeños de metales, Este estudio demostró que los nanoclusters metálicos atrapados en tubos de ensayo de nanocarbono proporcionan una plataforma universal para estudiar la química organometálica y permiten una comparación directa de la unión y la reactividad de diferentes metales de transición, así como la elucidación de la relación estructura-rendimiento de los nanocatalizadores, vital para el descubrimiento de nuevos mecanismos de reacción y catalizadores más eficientes del futuro. Este estudio proporciona una primera visión cualitativa de una perspectiva global de la unión metal-carbono ".

Este estudio es el último de una serie de más de 20 artículos conjuntos de alto calibre sobre el tema de la microscopía electrónica para moléculas y nanomateriales publicados por la colaboración Ulm-Nottingham.