東京工業大學科學技術創成研究院化學生命科學研究所的今岡享稔副教授和山元公壽教授與物質理工學院應用化學系的研究生稻津美紀（研究時）和赤田雄治等人組成的研究團隊，利用高解析度電子顯微鏡全球首次即時觀察了異種金屬原子鍵合的情況。另外，還利用該方法直接觀測了此前不可能觀測到的各含一個金-銀-銅原子的最小三元素合金AuAgCu。這些成果有望明確觸媒的機制並實施新的設計。相關内容已經發布在Nature Communications網路版上。
圖1：利用ADF-STEM法觀察金屬原子聚體（供圖：東京工業大學）
近年來，已可以透過連續觀察原子影像來直接觀察原子動態。在接連生成的原子序列結構中觀察到很多具有與計算化學一致的序列和鍵距的結構。然而，要以利用這種方法觀測異種原子之間的鍵，需要識別單個原子的元素。
常見的結合電子顯微鏡識別元素的分析方法爲EDS（能量色散X射線光譜法）和EELS（電子能量損失能譜），但這兩種方法都無法用於行程原子的鑑定，各元素的排列只能透過分子軌域計算等方法預測。
在此次研究中，作爲分析由多種元素構成的金屬聚集體分子結構的觀察方法，採用了單個原子的輝度與原子序相關的環形暗場像-掃描穿透電子顯微術法（ADF-STEM法）。原子在觀察程序中每時每刻都在行程，因此進行了在追蹤原子坐標的同時測量輝度的影片追蹤分析。
利用ADF-STEM法觀察的原子是一個明亮的亮點，其輝度與原子序的n次方（n爲1～2之間的數）成正比。研究團隊觀察到大量吸附在石墨烯上的金、銀、銅原子，並在適當去除噪音和背景後拍攝了影像的原子輝度分佈。由此發現，每種原子的輝度分佈都接近常態分布，並且其眾數與原子序Z的1.15次方成正比，這些均與類比預測的相關高度一致。另外，透過影片追蹤分析獲得的各原子的輝度誤差非常小，金、銀、銅核能以99％以上的精度相互區分。
圖2：此次成功地直接觀測到了金銀銅AuAgCu異核三原子分子的HDF-STEM影像（上部爲拍攝到的原始影像，下部爲透過影像處理爲各原子著色後的影像）（供圖：東京工業大學）
透過影片觀察石墨烯上蒸鍍的金、銀、銅原子發現，原子始終在石墨烯表面行程，原子之間相互鍵合或分離。原子相互接近到一定距離時會相互吸引，似乎結合在了一起。爲了瞭解這種運動模式，研究團隊調查了一幀影片中兩個金原子之間的距離，以及下一幀中鍵是延伸還是收縮的頻率進行了統計。由此應答，在大多數情況下，兩個原子之間的距離以約0.26奈米（金二聚體的鍵距）爲眾數分佈，鍵的延伸頻率和收縮頻率以這個距離爲分模線進行切換。這表明，當原子間的距離比平衡核間距離（0.26奈米）遠時，原子之間會產生重力。
另外，還觀察到了原子之間的鍵不斷形成和斷裂的情況。不僅是同類原子之間，異類原子之間也會形成鍵，並首次直接觀察到了共24種同核和異核雙原子分子。此外，還全球首次成功觀察到了由在塊狀金屬中通常不會相分離形成均勻合金的貨幣金屬金、銀、銅各一個原子構成的三原子分子。
此次使用的方法今後還能爲調查金屬亞奈米粒子（簇）等非晶結構無機材料的結構做貢獻，並有助於設計新型觸媒等。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Dynamic hetero-metallic bondings visualized by sequential atom imaging
DOI：10.1038/s41467-022-30533-y(External site)
