En un gran avance, los investigadores de Tokyo Tech lograron observar y caracterizar el ensamblaje dinámico de átomos metálicos utilizando una ingeniosa combinación de microscopía electrónica de transmisión de barrido y un seguimiento basado en video. Al visualizar moléculas de vida corta, como dímeros y trímeros metálicos, que no se pueden observar con métodos tradicionales, los investigadores abren la posibilidad de observar más estructuras dinámicas predichas por simulaciones.

La química es el estudio de la formación de enlaces (o disociación) entre átomos. El conocimiento de cómo se forman los enlaces químicos es, de hecho, fundamental no solo para toda la química, sino también para campos como la ciencia de los materiales. Sin embargo, la química tradicional se ha limitado en gran medida al estudio de compuestos estables. El estudio del ensamblaje dinámico entre átomos durante una reacción química ha recibido poca atención. Sin embargo, con los avances recientes en química computacional, las estructuras dinámicas y de corta duración están ganando importancia. La observación experimental y la caracterización de los enlaces dinámicos predichos entre átomos, como la formación de dímeros metálicos, podrían abrir nuevas fronteras de investigación en química y ciencia de los materiales.

Sin embargo, observar esta dinámica de enlace también requiere el desarrollo de una nueva metodología. Esto se debe a que las técnicas de caracterización convencionales solo brindan información estructural promediada en el tiempo y, por lo tanto, son inadecuadas para observar los enlaces a medida que se forman.

En este contexto, los investigadores de Japón dirigidos por el profesor asociado Takane Imaoka del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) ahora han proporcionado una solución ingeniosa. En su estudio publicado en Nature Communications , el equipo utilizó una combinación de seguimiento de video y una técnica llamada "microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular" (ADF-STEM) para realizar imágenes secuenciales de diferentes átomos metálicos que interactúan entre sí. Esto les permitió observar directamente las estructuras transitorias resultantes del ensamblaje de dos átomos similares (dímeros homometálicos), dos átomos diferentes (dímeros heterometálicos) y tres átomos diferentes (trímeros heterometálicos).

El equipo comenzó depositando átomos de átomos de oro (Ag), plata (Ag) y cobre (Cu) en una nanoplaca de grafeno utilizando un método llamado "deposición de arco-plasma". Para garantizar que hubiera suficientes átomos individuales aislados disponibles, la deposición se limitó a aproximadamente 0,05–0,015 monocapas y se realizaron observaciones de gran aumento en las regiones planas del sustrato de grafeno.

"La identificación elemental de los átomos estaba disponible con el seguimiento en tiempo real de los átomos en movimiento, mientras que ADF-STEM permitía observar los átomos bajo una dosis de electrones. Esto nos ayudó a evitar las altas densidades de corriente que normalmente se necesitan para el análisis de un solo átomo, que puede causar daños materiales", explica el Dr. Imaoka.

Además, las imágenes ADF-STEM mostraron una precisión de discriminación de átomos extremadamente alta, que va desde el 98,7 % para los pares Au-Ag hasta el 99,9 % para los pares Au-Cu. Otros emparejamientos también mostraron niveles similares de discriminación. Además, el equipo también pudo observar Au-Ag-Cu, un trímero heterometálico de vida extremadamente corta.

"Aunque nuestras instantáneas no concuerdan perfectamente con las estructuras predichas por los cálculos teóricos, las longitudes de enlace promedio entre los elementos en las estructuras observadas concuerdan bien con los cálculos", dice el Dr. Imaoka.

Los hallazgos de este estudio podrían conducir a rápidos desarrollos en nanociencia, donde la caracterización de grupos de metales y subnanopartículas está ganando importancia y, en el proceso, abrir puertas a un reino completamente nuevo de la materia. + Explora más

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