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查看了以前难以接近的某些化学过程的细节。他们已经证明，在现有的化学合成知识的基础上，这些过程存在重要的不连续阶段。这些细节可以帮助开发比以往更好的控制和精确度的化学合成方法。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超过200年的梦想 - 能够看到单个原子的能力，”项目教授Eiichi Nakamura说。“但它并没有就此结束。我们的研究小组已经超越了这个梦想，创造出分子视频，以前所未有的细节看待化学反应。”

来自东京大学化学系的Nakamura团队致力于掌控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，如光谱学和晶体学，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的事情的暗示，”中村组的项目副教授Koji Harano解释道。“例如，我们对金属 - 有机骨架(MOF)晶体感兴趣。大多数研究都关注这些晶体的生长，但是由于难以观察，因此错过了成核的早期阶段。”

复杂化学反应的瞬态阶段难以研究，因为在大多数反应的开始和结束之间存在多个中间过程。原则上，可以看到各个阶段，但实际上，不可能在每个阶段隔离产品，看看这些产品是如何随时间变化的。Nakamura，Harano和团队花了10多年的时间研究这个问题，并开发了一种叫做分子电子显微镜的方法。

“这是一个两部分的问题，”哈拉诺说。“在大规模上，将独特的高分辨率电子显微镜与快速灵敏的成像传感器结合起来进行连续视频成像存在工程挑战;而在小规模上，我们必须设计一种方法来捕获感兴趣的分子把它们固定到位，这样相机就能抓住动作。“

为了分离和保护特定分子，该团队使用了一种特殊改性的碳纳米管。这会阻碍通过的分子并将其固定到位，但至关重要的是，不会干扰该分子的反应。这样，反应的每个阶段都将发生在纳米管的尖端，而纳米管的尖端又在电子显微镜的焦点处保持就位。结果数据可以制作成反应的实时视频。

“一开始让我们感到惊讶的是我们的计划确实有效。这是一项复杂的挑战，但我们首先在2013年对这些分子视频进行了视觉化，”哈拉诺说。“从那时到现在，我们努力将这个概念变成一个有用的工具。我们的第一个成功是想象和描述一个立方体形状的分子，这是MOF合成过程中发生的一种重要的中间形式。用了一年的时间来说服我们审稿人我们发现的是真实的。“

这只是能够以精确和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”。随着反应的进展，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，以便为建筑创造合成矿物质，甚至是拯救生命的新药。