Ученые впервые сняли на видео химическую связь между двумя атомами металлов
Ученые из Великобритании и Германии впервые сняли на видео то, как возникает связь между двумя атомами рения — тяжелого металла, а также то, как она разрывается или деформируется под действием соседних молекул. Сообщила пресс-служба Ноттингемского университета (Великобритания).
Ученые наблюдали за двумя атомами, образующими химические связи и разрушающими их, изучая молекулы, состоящие из двух атомов рения (показаны зеленым цветом) внутри углеродной нанотрубки (серого цвета)
«Насколько мы знаем, нам впервые удалось проследить и снять на видео формирование, эволюцию и разрушение химической связи на уровне отдельных атомов. Изучение связей между атомами тяжелых металлов крайне важно для химии, особенно для понимания магнитных, электронных и каталитических свойств тех материалов, в состав которых они входят», — привела пресс-служба Ноттингемского университета слова профессора вуза Андрея Хлобыстова.
Почти все молекулы, существующие во Вселенной, состоят из атомов, связанных в основном тремя разными путями. Они могут быть соединены посредством прочных ковалентных или ионных связей, основанных на «обобществлении» или «экспроприации» электронов между двумя атомами, а также слабых водородных связей.
Структура и свойства этих связей были достаточно давно изучены при помощи теоретических расчетов, предсказания в целом совпадают с тем, как происходят химические реакции в реальности. С другой стороны, в последние годы ученые начали использовать атомно-силовые микроскопы и другие приборы для того, чтобы получать фотографии реальных связей между атомами и проверять эти расчеты на практике.
В частности, три года назад физики из Японии и Швейцарии смогли впервые «пощупать» и измерить силу водородной связи, используя иглу атомно-силового микроскопа, молекулы угарного газа и ароматических углеводородов. Эти опыты полностью подтвердили предсказания теоретиков и исключили возможность участия неких неизвестных нам сил в формировании этих связей, играющих важную роль в поддержании стабильности молекул ДНК и белков.
Атом в нанопробирке
Хлобыстов и его коллеги изучали еще один тип химических связей, объединяющих атомы всех чистых металлов. Эта связь, получившая название металлической, в целом напоминает характер взаимодействий между ионами, однако в данном случае в ее формировании участвуют не атомы с положительным и отрицательным зарядом, а облака электронов и положительно заряженных атомов.
Металлические связи, как отметил химик, почти не изучались в прошлом, в том числе и потому, что подобные цепочки атомов крайне тяжело наблюдать, так как их свойства сильно меняются в зависимости от того, какие другие соединения или вещества их окружают. Авторы статьи нашли остроумное решение этой проблемы, упаковав два атома рения в своеобразную защитную оболочку из углеродных нанотрубок.
«Нанотрубки помогали нам вылавливать атомы или молекулы и располагать их там, где нужно. Данном случае мы захватили два атома рения и соединили их друг с другом, сформировав молекулу Re2. Рений можно легко увидеть в атомный микроскоп — он намного темнее окружающих его легких атомов благодаря его большому зарядовому числу», — пояснил Хлобыстов.
Поместив подобную молекулу в «пробирку» из нанотрубки, ученые начали обстреливать ее пучками электронов, наблюдая при помощи трансмиссионного электронного микроскопа за тем, где находились атомы рения, а также как была устроена связь между ними. Подобный подход позволил им проследить за тем, как менялась ее устройство по мере движения рения через нанотрубку, как она несколько раз распалась и затем заново сформировалась, а также подсчитать число пар электронов, участвующих в ее формировании.
Молекула, состоящая из двух атомов рения (темные пятна), движется вокруг двух углеродных нанотрубок (более светлая решетка пятен), оседая в зазоре между нанотрубками. Когда атомы отделяются друг от друга на большем расстоянии, связь между атомами разрывается, а затем восстанавливается
Как оказалось, в этом процессе участвует четыре пары частиц, образующих четверную связь между атомами рения, причем эти электроны вели себя совсем не так, как предсказывала теория, за несколько мгновений перед распадом молекулы. Эти сведения, как отмечают исследователи, помогут их коллегам уточнить каталитические свойства рения и найти ему другие полезные применения.
Статья опубликована в журнале Science Advance
Источник: ИТАР-ТАСС
воскресенье, 2 февраля 2020 г.
Синтезирована молекула с самым большим ароматическим кольцом
Команда исследователей из Оксфордского университета смогла создать молекулу с рекордной по размеру ароматической системой. Она содержит 162 π-электрона. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Chemistry.
Ароматичность — это свойство молекул, которое заключается в образовании прочной системы, электронная плотность которой равномерно распределена по всем атомам. Такая атомная система характерная только для молекул с кратными — двойными и тройными — связями. Но самое главное, что число π-электронов в ней должно быть равно 4n+2, где n — целое число больше нуля (правило Хюккеля).
Самым простым и самым первым ароматическим соединением был бензол, имеющий шесть π-электронов на своих шести атомах углерода, соединенных с таким же числом водородов. После первого получения бензола в 1825 году и следующего за ним введения термина «ароматичность» в 1865-м, были открыты сотни таких соединений и веществ на их основе.
Но авторы новой работы побили все рекорды. Им удалось создать макромолекулу с порфириновыми кольцами, которая содержит 162 π-электрона — это более чем в два раза превышает предыдущий рекорд, который поставили ранее поставили те же химики, создав систему из 78 электронов ароматической системы.
Чтобы создать новое кольцо, исследователи сначала синтезировали серию составляющих его небольших порфириновых циклов с атомами цинка в центре. Команда использовала алкины и молекулы-шаблоны, чтобы заставить их образовать кольцевой узор. Затем ученые начали удалять электроны, пока не получили число, соответствующее правилу Хюккеля. В результате получалось внешнее кольцо, состоящее из 12 меньших порфириновых колец, соединенных с алкинами. В центре него ученые разместили бензол, соединенный с внешним кольцом 12 «спицами».
Продолжая свою работу, исследователи создали восемь форм молекулы в различных степенях окисления. Но до сих пор неизвестно, является ли размер нового кольца пределом для ароматических молекул, или же могут быть созданы еще более крупные кольца. Команда планирует продолжить свою работу, чтобы выяснить это. Другие научные группы же пытаются найти применение новых соединений для квантовых вычислений благодаря их уникальным электронным свойствам.
