동적 원자-원자 상호작용의 실시간 이미징

동적 원자-원자 상호작용의 실시간 이미징
날짜:
2022년 6월 14일
원천:
도쿄공업대학
요약:
연구원들은 주사 투과 전자 현미경과 비디오 기반 추적의 독창적인 조합을 사용하여 금속 원자의 동적 조립을 관찰하고 특성화했습니다. 연구진은 기존의 방법으로는 관찰할 수 없는 금속 이량체 및 삼량체와 같은 수명이 짧은 분자를 시각화함으로써 시뮬레이션으로 예측할 수 있는 이러한 동적 구조를 더 많이 관찰할 수 있는 가능성을 열었습니다.

연구원들은 주사 투과 전자 현미경과 비디오 기반 추적의 독창적인 조합을 사용하여 금속 원자의 동적 조립을 관찰하고 특성화했습니다. 연구진은 기존의 방법으로는 관찰할 수 없는 금속 이량체 및 삼량체와 같은 수명이 짧은 분자를 시각화함으로써 시뮬레이션으로 예측할 수 있는 이러한 동적 구조를 더 많이 관찰할 수 있는 가능성을 열었습니다.

화학은 원자 사이의 결합 형성(또는 해리)에 대한 연구입니다. 화학 결합이 어떻게 형성되는지에 대한 지식은 사실 모든 화학뿐만 아니라 재료 과학과 같은 분야에서도 기본입니다. 그러나 전통적인 화학은 안정한 화합물의 연구에 크게 제한되어 있습니다. 화학 반응 동안 원자 사이의 동적 조립에 대한 연구는 거의 주목을 받지 못했습니다. 그러나 최근 컴퓨터 화학의 발전으로 인해 동적이며 수명이 짧은 구조가 중요해지고 있습니다. 금속 이량체의 형성과 같이 원자 사이에서 예측되는 동적 결합의 실험적 관찰 및 특성화는 화학 및 재료 과학의 새로운 연구 영역을 열 수 있습니다.

그러나 이러한 결합 역학을 관찰하려면 새로운 방법론의 개발도 필요합니다. 이는 기존의 특성화 기술이 시간 평균화된 구조 정보만을 제공하므로 결합이 형성될 때 결합을 관찰하기에 부적절하기 때문입니다.

이러한 배경에서 Tokyo Institute of Technology(Tokyo Tech)의 Takane Imaoka 부교수가 이끄는 일본의 연구원들은 이제 독창적인 솔루션을 제공했습니다. 네이처 커뮤니케이션즈( Nature Communications ) 에 발표된 연구에서 팀은 비디오 추적과 "환형 암시야 주사 투과 전자 현미경(ADF-STEM)"이라는 기술의 조합을 사용하여 서로 상호 작용하는 다양한 금속 원자의 순차적 이미징을 수행했습니다. 이를 통해 두 개의 유사한 원자(동종 금속 이량체), 두 개의 다른 원자(이종 금속 이량체) 및 세 개의 다른 원자(이종 금속 삼량체)의 조립으로 인한 일시적인 구조를 직접 관찰할 수 있었습니다.

연구팀은 아크-플라즈마 증착(arc-plasma deposition)이라는 방법을 이용해 그래핀 나노플레이트에 금(Ag), 은(Ag), 구리(Cu) 원자를 증착하는 것으로 시작했다. 충분히 격리된 단일 원자를 사용할 수 있도록 하기 위해 증착을 약 0.05-0.015 단층으로 제한하고 그래핀 기판의 평평한 영역에서 고배율 관찰을 수행했습니다.

"원자의 원소 식별은 움직이는 원자의 실시간 추적으로 가능했으며 ADF-STEM은 원자가 전자 선량 하에서 관찰되도록 했습니다. 이것은 우리가 단일 원자 분석에 일반적으로 필요한 고전류 밀도를 피하는 데 도움이 되었습니다. 물질적 피해를 입힐 수 있습니다."라고 이마오카 박사는 설명합니다.

또한 ADF-STEM 이미징은 Au-Ag의 경우 98.7%에서 Au-Cu 쌍의 경우 99.9%에 이르는 매우 높은 원자 식별 정확도를 보여주었습니다. 다른 쌍들도 비슷한 수준의 차별을 보였다. 게다가 연구팀은 극도로 짧은 이종금속 삼량체인 Au-Ag-Cu도 관찰할 수 있었다.

"우리의 스냅샷은 이론적인 계산에 의해 예측된 구조와 완벽하게 일치하지 않았지만 관찰된 구조의 요소 사이의 평균 결합 길이는 계산과 잘 일치합니다."라고 Imaoka 박사는 말합니다.

이 연구의 놀라운 발견은 금속 클러스터와 나노 입자의 특성화가 중요해지고 있는 나노과학의 급속한 발전으로 이어질 수 있으며 그 과정에서 완전히 새로운 물질 영역의 문을 열 수 있습니다.