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據(jù)報道，諾丁漢大學納米尺度及微尺度研究中心（nmRC）的研究團隊在原子團行為的研究方面取得了重大突破。

該團隊使用透射電子顯微鏡（TEM），成功地“拍攝”了分子間化學反應，實現(xiàn)了金屬納米團簇原子級動力學和化學分辨成像的轉(zhuǎn)變。從而能夠按照原子與碳鍵合的順序和催化活性對14種不同的金屬進行排序，并且按照元素周期表順序顯示出顯著的變化。

該最新研究成果“中后期過渡金屬納米催化劑的原子尺度動力學比較”已發(fā)表在Nature Communications上。納米材料教授兼nmRC主任Andrei Khlobystov表示：“由于顯微鏡和光譜學技術的進展，我們對分子和原子的行為取得了更多的了解。然而，原子級金屬簇的結(jié)構和動力學仍然是一個謎。通過即使成像直接揭示的復雜原子動力學，可揭示納米催化劑的原子運作過程。”

對全球GDP的貢獻

金屬納米團簇的原子級動力學決定了它們的功能和化學性質(zhì)，如催化活性，能夠顯著提高化學反應速率。目前，許多關鍵的工業(yè)技術都依賴于納米催化劑，如水凈化、燃料電池技術、儲能以及生物柴油生產(chǎn)。

Khlobystov教授指出：“催化反應對全球GDP具有很大的貢獻，在原子水平上理解納米團簇的動態(tài)行為是一項重要而緊迫的任務。然而，納米催化劑非均勻結(jié)構，例如，尺寸、形狀、晶相的分布，為研究帶來了巨大的挑戰(zhàn)。此外，在相同的材料中共存及其高度動態(tài)的性質(zhì)，納米團簇過程復雜結(jié)構的變化，使得原子行為機制幾乎不可能被闡明。”

從單分子動力學到原子團簇

Khlobystov教授領導了英德合作研究團隊，利用電子束研究在透射電子顯微鏡（TEM）中對單分子動力學成像的影響。利用電子束同時作為成像工具和能量源來驅(qū)動化學反應，成功地進行了分子的成膜反應。該研究已于去年在ACS Nano雜志上發(fā)表。

納米管中的周期表

Khlobystov教授表示：“我們使用碳納米管對微小的化學元素簇進行取樣，每個化學元素僅由幾十個原子組成。通過捕獲一系列相關金屬元素的納米團簇，我們在納米尺度范圍測試。這是極具挑戰(zhàn)性的過程，因為大多數(shù)金屬納米團簇對空氣非常敏感。納米試管和透射電子顯微鏡的結(jié)合使我們可以觀察到金屬納米團簇，與碳的結(jié)合，并且發(fā)現(xiàn)與金屬在周期表中的位置有明顯的聯(lián)系。”

烏爾姆大學實驗物理學教授，材料科學電子顯微鏡組組長Ute Kaiser表示：“像差校正的透射電子顯微鏡和低維材料的結(jié)合使用，如納米管，能夠?qū)⒎治龊屠碚摶瘜W的進步與電子顯微鏡的最新發(fā)展有效結(jié)合，從而使我們能夠?qū)υ映叨鹊默F(xiàn)象有了新的認識，例如，納米催化在這項工作中的應用。

以前所未有的分辨率觀察納米團簇

諾丁漢大學理論與計算化學教授埃琳娜•貝斯利表示：“該研究表明，金屬納米團簇與碳納米管鍵合，為研究有機金屬化學提供了一個通用的平臺。通過比較不同過渡金屬的鍵合和化學反應以及闡明納米催化劑的結(jié)構，對于發(fā)現(xiàn)新的反應機制和更有效的催化劑具有重要的作用。

該研究是Ulm-Nottingham合作出版的20多篇關于分子和納米材料電子顯微鏡的高質(zhì)量論文中的一項最新研究。