研究人员首次以原子分辨率制作化学合成视频

研究人员第一次成功地检查了一些以前无法进入的化学过程的细节。基于化学合成的现有知识，他们已经证明在这些过程中存在重要的不连续阶段。这些细节有助于开发比以前更好控制和更精确的化学合成方法。这些方法可用于材料科学和药物开发。

“自2007年以来，物理学家已经实现了他们200多年的梦想——能够看到单个原子，”该项目的教授中村Eiichi Nakamura说。“但事情并没有就此结束。我们的研究团队已经超越了这个梦想，创造了分子视频，并以前所未有的细节观察化学反应。”

来自东京大学化学系的中村团队致力于控制负责材料合成的各种化学过程。然而，化学合成是一个复杂的研究领域。

“传统的分析方法，如光谱学和结晶学，为我们提供了关于过程结果的有用信息，但只提供了关于它们发生了什么的线索，”中村集团副教授原野幸二解释说。“例如，我们对金属有机框架(MOF)晶体感兴趣。大多数研究都关注这些晶体的生长，但由于难以观察，错过了成核的早期阶段。”

复杂化学反应的瞬态阶段很难研究，因为在大多数反应的开始和结束之间有许多中间过程。原则上，我们可以看到每个阶段，但实际上，不可能在每个阶段隔离产品，看这些产品如何随时间变化。中村、原野和他们的团队花了10多年时间研究这个问题，并开发了一种叫做分子电子显微镜的方法。

“这是一个由两部分组成的问题，”原野说。“在大范围内，将独特的高分辨率电子显微镜与快速灵敏的成像传感器相结合以实现连续视频成像存在工程挑战；在小范围内，我们必须设计一种方法来捕获感兴趣的分子，并将其固定在适当的位置，以便摄像机能够掌握运动。”

为了分离和保护特定的分子，研究小组使用了一种经过特殊修饰的碳纳米管。这将阻挡通过的分子并将其固定在适当的位置，但非常重要的是不要干扰分子的反应。这样，反应的每个阶段都将发生在纳米管的尖端，并且纳米管的尖端将保持在电子显微镜的焦点处。结果数据可制成实时反应视频。

“一开始让我们惊讶的是，我们的计划真的成功了。这是一个复杂的挑战，但我们在2013年首次可视化了这些分子视频，”Harano说。“从那以后，我们一直努力将这一概念转化为有用的工具。我们的第一个成功是想象和描述了一个立方体形状的分子，这是合成MOF的重要中间体。花了一年时间才让我们的评审人员相信我们的发现是真的。”

这只是能够以精确可控的方式控制化学合成的第一步——研究人员称之为“合理合成”。随着反应的进行，观察反应的细节非常重要，这样才能有效地进行逆向工程。200年前的梦想是看到一个原子；现在的梦想是控制分子，从而为建筑创造合成矿物质，甚至是拯救生命的新药。

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