Bilim İnsanları İlk Kez Atomların Hareketini Görüntüledi
Bilim insanları, kimyasal bir reaksiyon sırasında hareket halindeki atomların ilk videosunu çekerek, daha önce gözlemlenmesi mümkün olmayan gizli yolları ve kısa ömürlü molekülleri ortaya çıkardı.
Yeni bir elektron mikroskobu türü kullanarak ekip, bir katalizörün alkol moleküllerinden hidrojen atomlarını gerçek zamanlı olarak nasıl soyduğunu izledi. Bu keşif, katalizin eylem halindeki bu benzeri görülmemiş atom düzeyindeki görünümü sayesinde daha yeşil ve daha verimli kimyasal süreçleri nasıl tasarladığımızı devrim niteliğinde değiştirebilir.
Eylem Halindeki Katalizin İlk Bakışı
Northwestern Üniversitesi liderliğindeki uluslararası bir ekip, ilk kez katalizi atom düzeyinde doğrudan gözlemledi.
Gelişmiş görüntüleme kullanarak araştırmacılar, bir alkol molekülünden hidrojen atomlarını uzaklaştıran bir kimyasal reaksiyon sırasında hareket eden tek tek atomları gösteren büyüleyici gerçek zamanlı videolar çekti. Bu kayıtlar, kısa ömürlü ara molekülleri ortaya çıkardı ve daha önce bilinmeyen bir reaksiyon yolunu açığa çıkardı.
Bu çığır açan buluş, tek moleküllü atom çözünürlüklü zaman çözünürlüklü elektron mikroskobu (SMART-EM) adı verilen son teknoloji bir teknik sayesinde mümkün oldu. Bu yöntem, bilim insanlarının süreç gelişirken tek tek moleküllerin tepki vermesini izlemelerine olanak tanır.
Atomların kataliz sırasında nasıl davrandığını görerek araştırmacılar, katalizörlerin nasıl işlediğine dair daha derin bir anlayış kazanırlar. Bu içgörüler gelecekte daha temiz, daha verimli kimyasal süreçlerin tasarlanmasına yardımcı olabilir.
Bu video, araştırmacıların benzeri görülmemiş bir şekilde yakaladığı geçici bir hemiasetal alkoksit ara maddesini gösteriyor. Ekip ayrıca, bir aldehit ve bir molibden alkoksit ara maddesi üreten ters aldehit eliminasyonunu da gözlemledi. Bu dönüşüm – bir alkoksi eterin bir alkoksite dönüşümü – çok düşük bir enerji bariyeriyle ilerlemesi beklenen termal E1cB eliminasyon reaksiyonunun ders kitabı örneğini temsil ediyor. Kaynak: Northwestern Üniversitesi
Katalizörleri Anlamak Neden Önemlidir
“Bu süreci görselleştirerek ve reaksiyon mekanizmalarını takip ederek, tam olarak ne olduğunu en ince ayrıntısına kadar anlayabiliriz,” diyor Northwestern’den Yosi Kratish, çalışmanın ilk ve eş-yazışma yazarı. “Geçmişte atomların nasıl hareket ettiğini göremiyorduk. Şimdi görebiliyoruz. Ne başardığımızı fark ettiğimde, dizüstü bilgisayarımı kapatıp birkaç saat ara vermek zorunda kaldım. Katalizde bunu daha önce kimse yapmamıştı, bu yüzden şaşkına döndüm.”
Northwestern’den çalışmanın kıdemli yazarı Tobin J. Marks, “Katalizörler modern yaşamı mümkün kılıyor,” dedi. “Yakıt ve gübreden plastiklere ve ilaçlara kadar her şeyi yapmak için kullanılıyorlar. Kimyasal süreçleri daha verimli ve çevre dostu hale getirmek için, katalizörlerin atom seviyesinde tam olarak nasıl çalıştığını anlamamız gerekiyor. Çalışmamız bunu başarmak için büyük bir adım.”
Atılımın Arkasındaki Bilim İnsanları
Kataliz konusunda dünyaca ünlü bir uzman olan Marks, Northwestern’in Weinberg Sanat ve Bilim Koleji’nde Charles E. ve Emma H. Morrison Kimya Profesörü ve Vladimir N. Ipatieff Katalitik Kimya Profesörü ve Northwestern’in McCormick Mühendislik Okulu’nda kimya ve biyoloji mühendisliği profesörüdür. Kratish, Marks’ın grubunda kimya alanında araştırma yardımcı doçentidir. Marks ve Kratish, McCormick’te malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan Michael Bedzyk ve Weinberg’de Charles E. ve Emma H. Morrison Kimya Profesörü olan George C. Schatz ve SMART-EM’i icat eden Tokyo Üniversitesi’nden Profesör Eiichi Nakamura ve Yardımcı Doçent Takayki Nakamuro ile birlikte çalışmaya öncülük etti.
Geçici Molekülleri ‘Sinematik Kimya’ ile Yakalamak
Araştırmacılar uzun zamandır canlı katalitik olayları atom seviyesinde gözlemlemeye çalışıyorlar. Kimyasal reaksiyonlar, başlangıç malzemeleri ile son ürün arasındaki bir yolculuk gibidir. Yolculuk boyunca geçici ve bazen beklenmedik moleküller oluşur ve sonra aniden başka moleküllere dönüşür. Bu sözde “ara” moleküller öngörülemez ve geçici oldukları için tespit edilmeleri zordur.
Ancak, reaksiyonun doğrudan gerçekleşmesini izleyerek bilim insanları, tam reaksiyon yolunu ortaya çıkarmak ve bu zor bulunan ara maddeleri görüntülemek için olayların tam sırasını belirleyebilirler. Ancak yakın zamana kadar bu gizli dinamikleri gözlemlemek imkansızdı. Geleneksel elektron mikroskopları atomları görüntüleyebilirken, ışınları katalizde kullanılan yumuşak, organik maddeyi görüntülemek için çok güçlüdür. Yüksek enerjili elektronlar, karbon bazlı yapıları kolayca parçalayarak bilim insanları verileri toplayamadan onları yok eder.
Kratish, “Çoğu geleneksel transmisyon elektron mikroskobu tekniği, organik moleküllere kolayca zarar veren koşullarda çalışır” dedi. “Bu, geleneksel TEM yöntemlerini kullanarak bir reaksiyon sırasında hassas katalizörleri veya organik maddeleri doğrudan gözlemlemeyi son derece zorlaştırıyor.”
Tepkileri İzlemenin Yeni Bir Yolu
Bu zorluğun üstesinden gelmek için ekip, hassas organik moleküllerin görüntülerini yakalayabilen yeni bir teknik olan SMART-EM’e yöneldi. Nakamura ve ekibi tarafından 2018’de açıklanan SMART-EM, çok daha düşük bir elektron dozu kullanarak, örneğe aktarılan enerji miktarını ve hasarı en aza indiriyor. Hızlı görüntü dizilerini yakalayarak SMART-EM, Nakamura’nın “sinematik kimya” adını verdiği dinamik süreçlerin videolarını üretiyor.
Nakamura 2019’daki açıklamasında “2007’den beri fizikçiler 200 yıldan daha eski bir hayali gerçekleştirebildiler: tek bir atomu görebilme yeteneği,” dedi. “Ancak iş burada bitmedi. Araştırma grubumuz bu hayalin ötesine geçerek kimyasal reaksiyonları benzeri görülmemiş ayrıntılarla görmek için molekül videoları oluşturdu.”
Daha Temiz Bir Deney Tasarlamak
Northwestern ekibi, SMART-EM’yi ilk kez katalize uygularken basit bir kimyasal reaksiyon seçti: bir alkol molekülünden hidrojen atomlarını çıkarmak. Ancak önce doğru katalizörü seçmeleri gerekiyordu. Endüstriyel katalizörlerin yaklaşık %85’i heterojendir, yani sıvılar ve gazlarla reaksiyona giren katı malzemelerdir. Heterojen katalizörler kararlı ve verimli olsa da, reaksiyonların meydana gelebileceği birçok farklı yüzey alanına sahip oldukları için dağınıktırlar.
Tek Bir Aktif Bölgeye Yakınlaştırma
Kratish, “Heterojen katalizörlerin birçok avantajı var,” dedi. “Ancak büyük bir dezavantajı var: birçok durumda, bir kara kutudurlar. Reaksiyonların meydana gelebileceği bilinmeyen sayıda alanları vardır. Bu nedenle, reaksiyonların nerede ve nasıl gerçekleştiğini tam olarak anlamıyoruz. Bu, katalizörün hangi kısmının en etkili olduğunu tam olarak anlayamayacağımız anlamına geliyor.”
Katalizörü incelemeyi kolaylaştırmak için, Northwestern ekibi iyi tanımlanmış bir aktif bölgeye sahip tek bölgeli heterojen bir katalizör tasarladı. Tek bölgeli katalizör, koni biçimli bir karbon nanotüpüne tutturulmuş molibden oksit parçacıklarından oluşuyordu. Daha sonra ekip, katalizörlerinin etanolün fosil yakıtlara temiz bir alternatif olan hidrojen gazına dönüşümünü nasıl kolaylaştırdığını araştırmak için SMART-EM’i kullandı.
Kratish, “Tek bir siteye sahip olmak çok daha kullanışlı,” dedi. “İzlemek için iyi bir site seçebilir ve gerçekten yakından inceleyebiliriz.”
Reaksiyondaki Gizli Bir Adımı Açığa Çıkarmak
Çalışmadan önce, bilim insanları alkolün doğrudan katalizöre gittiğini ve burada hidrojen gazı ve aldehit (bir alkol molekülü oksitlendiğinde oluşan bir molekül) haline geldiğini varsaydılar. Oradan, oda sıcaklığında bir gaz olan aldehit havaya kaçtı. Ancak sürecin nasıl gerçekleştiğini izlemek farklı bir hikayeyi ortaya çıkardı.
Araştırmacılar, SMART-EM’i kullanarak aldehitin uçup gitmediğini, bunun yerine katalizöre yapıştığını keşfettiler. Ayrıca, aldehitlerin kısa zincirli polimerler oluşturmak için birbirine bağlandığını buldular – genel reaksiyonu yönlendiren daha önce bilinmeyen bir adım. Başka bir sürpriz olarak, araştırmacılar aldehitin ayrıca alkol ile reaksiyona girerek hemiasetal oluşturduğunu keşfettiler; bu, daha sonra diğer ürünlere dönüştürülen bir ara moleküldür.
Beklenmedik Kimyayı Doğrulamak
Bu bulguları doğrulamak için ekip çeşitli mikroskopi teknikleri, X-ışını analizi, teorik modeller ve bilgisayar simülasyonları kullandı. Hepsi SMART-EM verileriyle uyuşuyordu.
Kratish, “Bu büyük bir atılım,” dedi. “SMART-EM kimyaya bakış şeklimizi değiştiriyor. Sonunda, bu ara maddeleri izole etmek, sisteme koyduğumuz enerji miktarını kontrol etmek ve canlı bir organik katalitik dönüşümün kinetiğini incelemek istiyoruz. Bu olağanüstü olacak. Bu sadece başlangıç.”
Kaynak: https://scitechdaily.com