لأول مرة
نجح العلماء بتصوير التفاعلات الكيميائية على مستوى الجزيئات
نجح العلماء في تصوير التفاعلات الكيميائية بين الجزيئات – باستخدام شعاع إلكتروني من المجهر الباعث للإلكترونات (تيم – Tem) كأداة إيقاف للصورة الكاملة أثناء التصوير، واكتشفوا أيضًا أن الشعاع الإلكتروني يمكن ضبطه ليعمل كمحفز لتفاعلات كيميائية محددة باستخدامه كمصدر للطاقة فضلاً عن كونه أداة للتصوير.
هذا البحث – الذي يظهر حدوث التفاعلات الكيميائية بالزمن الحقيقي لحدوثها ضمن جزء من مئة مليون في السنتيمتر – لديه القدرة على إحداث ثورة في دراسة وتطوير مواد جديدة، ويمكن أن يساعد في الإجابة على بعض الأسئلة الأساسية والصعبة في العلوم الكيميائية مثل كيفية تفاعل الجزيئات مع بعضها البعض على المستوى الذري ما يؤدي إلى تكوين ناتج محدد بدلا عن ناتج آخر، فضلا عن المساعدة في اكتشاف نوع من التفاعلات الكيميائية الجديدة.
وقد ترأس أندريه خلوبيستوف (Andrei Khlobystov) فريق الخبراء متعدد الجنسيات من المملكة المتحدة، وألمانيا وروسيا. يعمل خلوبيستوف أستاذًا في المواد النانوية ومدير مركز البحوث الدقيقة والنانوية في جامعة نوتنغهام. وقد نشرت مجلة ACS المجلة الرائدة في علوم وتكنولوجيا النانو: إيقاف صورة كاملة أثناء التصوير واكتشاف التفاعلات على مستوى جزيء واحد عن طريق مجهر الباعث للإلكترونات”، وقد استحقت الدراسة اختيارها من قبل محرري المجلة لأن تكون واحدة من الدراسات التي تحظى باهتمام عام واسع.
وصرح البروفسور خلوبيستوف قائلا: “إنه لإنجاز علمي كبير، فقد حولنا طريقة استخدامنا للمجهر الإلكتروني (تيم – TEM) – من التقاط الصور الساكنة إلى أداة لتصوير وتحفيز التفاعلات الكيميائية، وهي المرة الألى التي نستطيع فيها مشاهدة التفاعلات الكيميائية على هذا المستوى ومراقبة انقسام الجزيئات كما يحدث في التفاعلات الكيميائية – من جزيئات البداية وخلال طريقها الكامل نحو الناتج.”
أجرى خبراء في الكيمياء الاصطناعية والنظرية، والمواد والإلكترونات المجهرية البحث، وبناءً على فكرة البروفسور خلوبيستوف لأنابيب الاختبار النانوية الكربونية (أصغر أنابيب اختبار في العالم، مسجلة ضمن موسوعة غينيس للأرقام القياسية لعام 2005)، حيث تعمل الأنابيب النانوية بمثابة حاوي للجزيئات. إن عمل البروفسور الرائد بخصوص حاويات النانو الكربونية والمفاعلات النانوية يقودنا بالفعل لطرق جديدة في تجميع الجزيئات ودراسة التفاعلات الكيميائية.
أُجري البحث في المملكة المتحدة بالتعاون مع إيلينا بيسلي (Elena Besley)، وهي أستاذة في الكيمياء الحسابية النظرية وفريقها من الباحثين العاملين في مجموعة علم النانو الحسابي في جامعة نوتنغهام.
وقالت البروفسورة بيسلي: “بالتعمق في أصغر كتل البناء الكيميائية للمادة، فإن دراستنا تسخر “التأثير المراقب”وتؤسس لمنهجية جديدة تمامًا لدراسة التفاعلات الكيميائية، وقد شرحنا أن الشعاع الإلكتروني هو بمثابة أداة تصوير ومصدر للطاقة من أجل قيادة التحولات الكيميائية، الأمر الذي يمنحنا أداة جديدة لدراسة التفاعلات الكيميائية لجزئيات منفردة وبرؤية ذرية، وهو أمر مهم لاكتشاف آليات التفاعل الجديدة واصطناع مركبات أكثر كفاءة في المستقبل.”
اصطناع مركبات وإعداد مواد جديدة
لا تزال هناك مشاكل عديدة في اصطناع المركبات وإعداد المواد فنحن بحاجة لفهم العمليات التي تؤدي إلى إنتاجها، وكيفية تفاعل الجزيئات بالضبط، وكيفية كسر الروابط الكيميائية وتكوينها.
وقال البروفسور خلوبيستوف: “لقد أطلقنا على طريقتنا اسم (ChemTEM) لأنها الطريقة الأقصر لدراسة التفاعلات الكيميائية بنقل الشعاع الإلكتروني كميات محددة جيدًا من الطاقة مباشرة إلى الذرات ضمن الجزيء وبالتالي يؤدي إلى تفاعل كيميائي، في حين أن التصوير مستمر لتحولات الجزيء، صورة تلو الأخرى لمساحة مباشرة وبتوقيت حقيقي. يمكننا اكتشاف تفاعلات كيميائية جديدة وصناعة هياكل كيميائية حسب الطلب من خلال التلاعب بـ(تيم – TEM) – كطاقة الشعاع الإلكتروني على سبيل المثال.
وأضاف قائلا: “نحن الآن قادرين على مشاهدة الجزئيات بشكل منفرد، ومشاهدة آلية عملها معًا لتشكيل أشرطة نانوية من الجرافين والبوليمر، ثم يمكننا توجيه التفاعل الكيميائي بإتجاه تكوين المواد التي نريدها، وسنشاهد هذا يحدث في وقت قريب فنحن ننظر بالفعل إلى الجيل القادم من المواد الجزيئية المعقدة ثنائية الأبعاد للتطبيقات الإلكترونية وراء الجرافين.”
الإحاطة بـ “تأثير المراقب”
في المجهر هناك مساعي كثيرة للحد من تأثير الضوء أو الشعاع الإلكتروني – ما يسمى ب”تأثير المراقب” – على العينة للتأكد من أن الصور تمثل الهياكل الأصلية حقًا، ولا تتأثر بعملية القياس.
وقد استخدم فريق البحث “تأثير المراقب’” لتحويل تيم – TEM إلى أداة للتصوير ومصدر من الطاقة لقيادة التفاعلات الكيميائية باختراق الشعاع الإلكتروني الجدران الرقيقة لأنابيب الكربون النانوية سامحًا بالتصوير المعالج زمنياً للتفاعلات على مستوى ذرة واحدة. و تحدث التحولات الكيميائية للجزيئات من خلال تنشيط الشعاع الإلكتروني حيث يمكن ضبط معدل الطاقة وكميتها بدقة.
ترجمة: مجد ميرو
تدقيق: منة الله عيد
المجلة المرجع: ACS Nano
المقدمة من قبل: جامعة نوتنغهام.
