การถ่ายภาพตามเวลาจริงของการโต้ตอบระหว่างอะตอมและอะตอมแบบไดนามิก

เคมีคือการศึกษาเกี่ยวกับการสร้างพันธะ (หรือการแยกตัว) ระหว่างอะตอม ความรู้เรื่องการเกิดพันธะเคมีนั้นแท้จริงแล้วเป็นพื้นฐานของไม่เพียงแต่เคมีทั้งหมดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสาขาต่างๆ เช่น วัสดุศาสตร์ด้วย อย่างไรก็ตาม เคมีแบบดั้งเดิมจำกัดอยู่เพียงการศึกษาสารประกอบที่เสถียรเท่านั้น การศึกษาการประกอบไดนามิกระหว่างอะตอมระหว่างปฏิกิริยาเคมีได้รับความสนใจเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ด้วยความก้าวหน้าล่าสุดในวิชาเคมีเชิงคำนวณ โครงสร้างแบบไดนามิกที่มีอายุสั้นกำลังได้รับความสำคัญ การสังเกตเชิงทดลองและลักษณะเฉพาะของพันธะไดนามิกที่ทำนายระหว่างอะตอม เช่น การก่อตัวของไดเมอร์โลหะ สามารถเปิดขอบเขตการวิจัยใหม่ในด้านเคมีและวัสดุศาสตร์ อย่างไรก็ตาม การสังเกตไดนามิกของพันธะนี้จำเป็นต้องพัฒนาวิธีการใหม่ด้วย นี่เป็นเพราะเทคนิคการระบุลักษณะทั่วไปให้ข้อมูลโครงสร้างตามเวลาเฉลี่ยเท่านั้น และดังนั้นจึงไม่เพียงพอสำหรับการสังเกตพันธะในขณะที่ก่อตัวขึ้น ท่ามกลางฉากหลังนี้ นักวิจัยจากประเทศญี่ปุ่นที่นำโดยรองศาสตราจารย์ Takane Imaoka จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งโตเกียว (Tokyo Tech) ได้นำเสนอวิธีแก้ปัญหาอันชาญฉลาด ในการศึกษาของพวกเขาที่ตีพิมพ์ในNature Communicationsทีมงานใช้การผสมผสานระหว่างการติดตามวิดีโอและเทคนิคที่เรียกว่า "กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านการสแกนสนามมืดแบบวงแหวน" (ADF-STEM) เพื่อทำการถ่ายภาพตามลำดับของอะตอมโลหะต่างๆ ที่มีปฏิกิริยาต่อกัน สิ่งนี้ทำให้พวกมันสามารถสังเกตโครงสร้างชั่วคราวได้โดยตรงซึ่งเป็นผลมาจากการประกอบกันของอะตอมที่คล้ายกันสองอะตอม (ไดเมอร์แบบโฮโมเมทัลลิก) อะตอม ที่แตกต่างกันสองอะตอม (ไดเมอร์แบบเฮเทอโรเมทัลลิก) และอะตอมที่แตกต่างกันสามอะตอม ทีมเริ่มต้นด้วยการฝากอะตอมของทองคำ (Ag) เงิน (Ag) และทองแดง (Cu) ไว้บนแผ่นนาโนกราฟีนโดยใช้วิธีการที่เรียกว่า "การสะสมอาร์คพลาสมา" เพื่อให้แน่ใจว่ามีอะตอมเดี่ยวที่แยกได้เพียงพอ การสะสมถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 0.05-0.015 monolayers และทำการสังเกตด้วยกำลังขยายสูงในพื้นที่ราบของพื้นผิวกราฟีน "การระบุธาตุของอะตอมนั้นสามารถทำได้ด้วยการติดตามแบบเรียลไทม์ของอะตอมที่กำลังเคลื่อนที่ ในขณะที่ ADF-STEM ทำให้สามารถสังเกตอะตอมภายใต้ปริมาณอิเล็กตรอนได้ ซึ่งช่วยให้เราหลีกเลี่ยงความหนาแน่นกระแสสูงซึ่งโดยทั่วไปจำเป็นสำหรับการวิเคราะห์อะตอมเดี่ยว ซึ่งสามารถ ทำให้เกิดความเสียหายทางวัตถุ" ดร. อิมาโอกะอธิบาย นอกจากนี้ การถ่ายภาพ ADF-STEM ยังแสดงความแม่นยำในการแยกแยะอะตอมที่สูงมาก ตั้งแต่ 98.7% สำหรับ Au-Ag ถึง 99.9% สำหรับคู่ Au-Cu การจับคู่อื่น ๆ ก็แสดงให้เห็นถึงการเลือกปฏิบัติในระดับเดียวกัน นอกจากนี้ ทีมงานยังสามารถสังเกต Au-Ag-Cu ซึ่งเป็น hetero-metallic trimer ที่มีอายุสั้นมาก ดร. อิมาโอกะกล่าวว่า "แม้ว่าภาพรวมของเราจะไม่เห็นด้วยอย่างสมบูรณ์กับโครงสร้างที่คาดการณ์โดยการคำนวณทางทฤษฎี แต่ความยาวพันธะเฉลี่ยระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ในโครงสร้างที่สังเกตนั้นสอดคล้องกับการคำนวณเป็นอย่างดี" ดร. อิมาโอกะกล่าว การค้นพบที่น่าทึ่งของการศึกษานี้อาจนำไปสู่การพัฒนาอย่างรวดเร็วในด้านนาโนศาสตร์ ซึ่งการจำแนกลักษณะเฉพาะของกลุ่มโลหะและอนุภาคย่อยนาโนกำลังมีความสำคัญ และในกระบวนการนี้จะเป็นการเปิดประตูสู่ขอบเขตใหม่ของสสาร