دانشمندان اولین فیلم ویدئویی از نوع اتم های خود را در حین واکنش شیمیایی فیلمبرداری کرده اند و جاده های پنهان و مولکول های کوتاه مدت را که قبلاً نظارت بر آن غیرممکن بوده است ، نشان می دهد.
این تیم با استفاده از نوع جدیدی از میکروسکوپ الکترونی ، کاتالیزور را در حال مخفی کردن اتم های هیدروژن از مولکول های الکل در زمان واقعی مشاهده کرد. این کشف می تواند به لطف این نگاه بی سابقه به سطح اتمی کاتالیز در عمل ، به روش طراحی فرآیندهای شیمیایی سبزتر و مؤثرتر ، متحول شود.
اولین کاتالیز مشاهده در عمل
برای اولین بار یک تیم بین المللی به رهبری[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>Northwestern University has directly observed catalysis happening at the atomic level.
Using advanced imaging, the researchers captured mesmerizing real-time videos showing individual atoms moving during a chemical reaction that removes hydrogen atoms from an alcohol molecule. These recordings revealed short-lived intermediate molecules and uncovered a previously unknown reaction pathway.
The breakthrough was made possible by a cutting-edge technique called single-molecule atomic-resolution time-resolved electron microscopy (SMART-EM). This method allows scientists to watch individual molecules react as the process unfolds.
By seeing how atoms behave during catalysis, researchers gain a deeper understanding of how catalysts function. These insights could help design cleaner, more efficient chemical processes in the future.
The findings will be published on today, April 11, in the journal Chem.
https://www.youtube.com/watch؟v=ng7g2lz_yqm
این ویدئو یک آلکوکسید متوسط زودگذر با هموکسید را نشان می دهد ، که محققان ، بی سابقه ، فیلمبرداری شده اند. این تیم همچنین از بین بردن آلدهید مخالف خود ، آلدهید و آلکوکسید میانی مولیبدن را تولید می کند. این تحول-معکوس اتر آکوکسی به آلکوکسید بازنمایی نمونه ای از کتاب درسی به واکنش حرارتی از بین بردن E1CB ، که انتظار می رود با یک مانع انرژی بسیار کم ادامه یابد. اعتبار: دانشگاه شمال غربی
چرا کاتالیزور ماده را درک می کند.
جوسی کراتیش از Northwest Jossi Kratish ، خبرنگار اول و مشترک می گوید: “با تجسم این فرآیند و پیروی از مکانیسم های واکنش ، می توانیم دقیقاً با بهترین جزئیات اتفاق بیفتد.” “در گذشته ، ما نتوانستیم ببینیم که اتمها چگونه حرکت می کنند. اکنون می توانیم. وقتی فهمیدم که چه کاری انجام داده ایم ، مجبور شدم لپ تاپ خود را ببندم و چند ساعت استراحت کنم. هیچ کس قبلاً در کاتالیز این کار را نکرد ، بنابراین من متحیر شدم.”
توبین جی مارکس از شمال غربی ، نویسنده ارشد این مطالعه می گوید: “کاتالیزورها زندگی مدرن را امکان پذیر می کنند.” “آنها برای انجام همه کارها از سوخت و کود گرفته تا پلاستیک و داروها استفاده می شوند. برای اینکه فرآیندهای شیمیایی کارآمدتر و سازگار با محیط زیست باشند ، باید دقیقاً بدانیم که کاتالیزورها در سطح اتمی چگونه کار می کنند. مطالعه ما گامی بزرگ در جهت دستیابی به آن است.”
دانشمندان پشت یک موفقیت
یک کارشناس کاتالیز متعلق به جهان ، مارکس چارلز ا. و Emma H. Morrison استاد شیمی و ولادیمیر N. Ipatiph استاد شیمی کاتالیزوری در کالج هنر و علوم شمال غربی در شمال غربی دانشکده مهندسی Hemic و بیولوژیکی است. Kratish دستیار گروه تحقیقاتی گروه مارکس است. مارکس و کراتیش این مطالعه را با مایکل ریور ، استاد علوم و مهندسی مواد در مک کورمیک و جورج کی شاتس ، چارلز ا. و اما اچ. موریسون ، استاد شیمی در وینبرگ و همچنین استاد توکیو آیکورا انجام دادند.
گرفتن مولکول های تقلید با “شیمی سینمایی”
محققان مدتهاست که تلاش می کنند حوادث زنده کاتالیزوری را در سطح اتمی نظارت کنند. واکنشهای شیمیایی مانند سفر بین شروع مواد و محصول نهایی است. در طول سفر ، انتقالی شکل می گیرد – و گاهی اوقات غیر منتظره – مولکول ها و سپس به شدت به مولکولهای دیگر تبدیل می شوند. از آنجا که این مولکولهای “متوسط” بسیار غیرقابل پیش بینی و زودگذر هستند ، تشخیص آنها دشوار است.
با این حال ، با مشاهده مستقیم واکنش ، دانشمندان می توانند توالی دقیق وقایع را برای آشکار کردن مسیر کامل واکنش – و به بررسی این محصولات میانی گریزان تعیین کنند. اما تا همین اواخر ، مشاهده این پویایی های پنهان غیرممکن بود. در حالی که میکروسکوپ های الکترونیکی سنتی می توانند اتم ها را به تصویر بکشند ، پرتوهای آنها خیلی قوی است تا ماده نرم و آلی مورد استفاده در کاتالیز را نشان دهد. الکترونهای پر انرژی به راحتی ساختارهای مبتنی بر کربن را تجزیه می کنند و قبل از اینکه دانشمندان بتوانند داده ها را جمع آوری کنند ، آنها را از بین می برد.
کراتیش گفت: “بیشتر تکنیک های میکروسکوپ الکترونیکی معمولی تحت شرایطی کار می کنند که به راحتی به مولکول های آلی آسیب می رساند.” “این باعث می شود مشاهده کاتالیزورهای حساس یا مواد آلی به طور مستقیم در هنگام واکنش با استفاده از روشهای سنتی TEM ، بسیار چالش برانگیز باشد.”
یک روش جدید برای تماشای واکنش
برای غلبه بر این چالش ، تیم به Smart-IM تبدیل شد ، تکنیک جدیدی که می تواند تصاویر مولکول های آلی ظریف را ضبط کند. Smart-IM تحت پوشش ناکامورا و تیمش در سال 2018 ، از دوز الکترونیکی بسیار کمتری استفاده می کند و میزان انرژی را به حداقل می رساند-آسیب وارد شده به نمونه. Smart-IM با ضبط سکانس های سریع تصاویر ، فیلم هایی از فرآیندهای پویا تولید می کند ، که ناکامورا آن را “شیمی سینمایی” می نامد.
“از سال 2007 ، فیزیکدانان توانسته اند بیش از 200 سال یک رویا را تحقق بخشند – توانایی دیدن یک فرد اتمناکامورا در بیانیه ای در سال 2019 گفت: “اما به همین جا ختم نشد. گروه تحقیقاتی ما به این رویای ایجاد فیلم های مولکول ها رسیده است تا واکنش های شیمیایی را در جزئیات بی سابقه مشاهده کند.”
طراحی یک آزمایش تمیزتر
برای اولین بار هنگام استفاده از Smart-EM برای کاتالیز ، تیم شمال غربی یک واکنش شیمیایی ساده را انتخاب کرد: حذف اتم های هیدروژن از یک مولکول الکل. اما ابتدا آنها مجبور بودند کاتالیزور مناسب را انتخاب کنند. حدود 85 ٪ از کاتالیزورهای صنعتی متنوع هستند ، به این معنی که آنها مواد جامد هستند که با مایعات و گازها پاسخ می دهند. اگرچه کاتالیزورهای ناهمگن پایدار و مؤثر هستند ، اما با بسیاری از سایت های سطحی مختلف که در آن واکنش ها ممکن است رخ دهد ، پراکنده هستند.
یک سایت فعال را افزایش دهید
کراتیش گفت: “کاتالیزورهای ناهمگن مزایای بسیاری دارند.” “اما یک اشکال بزرگ وجود دارد: در بسیاری از موارد آنها یک جعبه سیاه هستند. آنها تعداد ناشناخته ای از سایت هایی دارند که واکنش ها می توانند رخ دهند. بنابراین ، ما کاملاً نمی فهمیم که در کجا و چگونه واکنش ها انجام می شود. این بدان معنی است که ما نمی توانیم درک کنیم که کدام قسمت از کاتالیزور مؤثر است.”
برای تسهیل مطالعه کاتالیزور ، تیم شمال غربی یک کاتالیزور ناهمگن را در یک مکان با یک سایت فعال تعریف شده به خوبی طراحی می کند. کاتالیزور در یک مکان شامل ذرات اکسید مولیبدن است که به یک نانوتات کربن به شکل مخروطی لنگر می رود. سپس این تیم از Smart-IM استفاده می کند تا بررسی کند که چگونه کاتالیزور آنها تبدیل اتانول به گاز هیدروژن را تسهیل می کند ، یک جایگزین خالص برای سوخت های فسیلی.
کراتیش گفت: “حضور یک سایت بسیار راحت تر است.” “ما می توانیم یک سایت خوب برای تماشای و واقعاً آن را انتخاب کنیم.”
آشکار کردن یک قدم پنهان در واکنش
قبل از مطالعه ، دانشمندان موقعیتی داشتند كه الكل مستقیماً به كاتالیزور رفت ، جایی كه به گاز هیدروژن و آلدهید تبدیل شد (مولكولی كه هنگام اکسیداسیون مولکول الکلی تشکیل می شود). از آنجا ، آلدهید ، که در دمای اتاق گاز است ، به هوا فرار می کند. اما تماشای فرایند در حال آشکار سازی ، داستانی متفاوت را نشان داده است.
محققان با استفاده از Smart-IM ، دریافتند که آلدهید شنا نمی کند ، اما در عوض به کاتالیزور می چسبد. آنها همچنین آلدهیدها را که به هم وصل شده اند برای تشکیل زنجیرهای کوتاه از مرحله پلیمرها-ناشناخته که به نظر می رسد باعث تحریک واکنش کلی می شود ، کشف کرده اند. در جای تعجب دیگر ، محققان دریافتند که آلدهید نیز با الکل واکنش نشان داد تا یک همیاکال ، یک مولکول میانی ، که پس از آن به محصولات دیگری تبدیل شد.
تأیید شیمی غیر منتظره
برای تأیید این اکتشافات ، تیم از تکنیک های مختلف میکروسکوپی ، تجزیه و تحلیل X -ray ، مدل های نظری و شبیه سازی های رایانه ای استفاده می کند. همه آنها با داده های Smart-EM مطابقت دارند.
کراتیش گفت: “این یک موفقیت بزرگ است.” “Smart-Im نحوه نگاه ما به شیمی را تغییر می دهد. از این گذشته ، ما می خواهیم این محصولات متوسط را جدا کنیم ، میزان انرژی ما را در سیستم کنترل کنیم و سینتیک تحول کاتالیزوری آلی زنده را مطالعه کنیم. این یک پدیده خواهد بود. این فقط آغاز است.”
مرجع: “تصویر وضوح اتمی به عنوان یک ابزار مکانیکی برای مطالعه کاتالیز ناهمگن در یک مکان” 11 آوریل 2025 ، شیمیاییحرف
این مطالعه توسط وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی شد. Marks عضو انستیتوی بین المللی نانوتکنولوژی ، انستیتوی شیمی زندگی و موسسه پایداری و انرژی پائولا Trienns است.
