Şimal-Qərb Universitetinin rəhbərlik etdiyi beynəlxalq alimlər qrupu, ilk dəfə olaraq, atom səviyyəsində katalizin hərəkətini birbaşa müşahidə etdi.

Heyrətamiz yeni videolarda, spirt molekulundan hidrogen atomlarını çıxaran kimyəvi reaksiya zamanı tək atomlar hərəkət edir və silkələnir. Prosesə real vaxt rejimində baxaraq, tədqiqatçılar reaksiyada iştirak edən bir neçə qısa müddətli ara molekulları, eləcə də əvvəllər gizli reaksiya yolunu kəşf etdilər.

Müşahidələr tədqiqatçılara fərdi molekulların real vaxt rejimində reaksiyasını izləməyə imkan verən güclü alət olan tək molekullu atom rezolyusiyasına malik zamanla həll olunan elektron mikroskopiya (SMART-EM) vasitəsilə mümkün olub.

Reaksiyaları bu şəkildə müşahidə etmək alimlərə katalizatorların necə işlədiyini anlamağa kömək edir. Bu yeni anlayışlar potensial olaraq daha səmərəli və davamlı kimyəvi proseslər üçün dizaynlara səbəb ola bilər.

Tədqiqat Chem jurnalında dərc olunan “Atom rezolyusiyasının təsviri tək sahəli heterojen katalizin öyrənilməsi üçün mexaniki vasitə kimi ” .Oyna

00:00

00:15SəssizParametrlərPIPTam ekrana daxil olun

Northwestern-dən Yosi Kratish, araşdırmanın ilk və həmmüəllif müəllifi, “Bu prosesi vizuallaşdırmaq və reaksiya mexanizmlərini izləməklə, biz nəyin baş verdiyini ən incə təfərrüatı ilə anlaya bilərik” dedi.

“Keçmişdə atomların necə hərəkət etdiyini görə bilmirdik. İndi bacarırıq. Nəyə nail olduğumuzu anlayanda laptopumu bağlamalı və bir neçə saatlıq fasilə verməli oldum. Daha əvvəl katalizdə heç kim bunu etməmişdi, ona görə də mat qalmışdım”.

Northwestern-dən Tobin J. Marks, tədqiqatın baş müəllifi, “Katalizatorlar müasir həyatı mümkün edir” dedi. “Onlardan yanacaq və gübrələrdən tutmuş plastik və dərmanlara qədər hər şeyi hazırlamaq üçün istifadə olunur. Kimyəvi prosesləri daha səmərəli və ekoloji cəhətdən təmiz etmək üçün biz katalizatorların atom səviyyəsində necə işlədiyini dəqiq başa düşməliyik . Bizim araşdırmamız buna nail olmaq üçün böyük addımdır.”

Kataliz üzrə ekspert, Marks Charles E. və Emma H. ​​Morrison Kimya professoru və Vladimir N. Ipatieff Katalitik Kimya üzrə Şimal-Qərbdəki Weinberg İncəsənət və Elmlər Kollecinin professoru və Northwestern’s McCormick Engineering Məktəbində kimya və bioloji mühəndislik professorudur.

Kratish Marks qrupunun kimya üzrə elmi dosentidir. Marks və Kratish tədqiqata McCormick-də materialşünaslıq və mühəndislik professoru Michael Bedzyk və Weinberg-də kimya professoru Charles E. və Emma H. ​​Morrison George C. Schatz, eləcə də Tokio Universitetinin professoru Eiichi Nakamura ilə birgə rəhbərlik ediblər.

https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?client=ca-pub-0536483524803400&output=html&h=188&slotname=8188791252&adk=1687169288&adf=4054963813&pi=t.ma~as.8188791252&w=750&abgtt=6&fwrn=4&lmt=1744615729&rafmt=11&format=750×188&url=https%3A%2F%2Fphys.org%2Fnews%2F2025-04-atomic-video-catalytic-reaction-reveals.html&wgl=1&uach=WyJXaW5kb3dzIiwiMTkuMC4wIiwieDg2IiwiIiwiMTM1LjAuNzA0OS44NSIsbnVsbCwwLG51bGwsIjY0IixbWyJHb29nbGUgQ2hyb21lIiwiMTM1LjAuNzA0OS44NSJdLFsiTm90LUEuQnJhbmQiLCI4LjAuMC4wIl0sWyJDaHJvbWl1bSIsIjEzNS4wLjcwNDkuODUiXV0sMF0.&dt=1744615729891&bpp=2&bdt=181&idt=2&shv=r20250410&mjsv=m202504080101&ptt=9&saldr=aa&abxe=1&cookie=ID%3Df22668bce9793ae4%3AT%3D1735196613%3ART%3D1744615625%3AS%3DALNI_Mb4Xpwl1SO1AcvqroR6xccDm_sheQ&gpic=UID%3D00000f7c5320f40b%3AT%3D1735196613%3ART%3D1744615625%3AS%3DALNI_Mb1dz_DHiT2yDzXLMaB9CDkQl4XGg&eo_id_str=ID%3Dcdf7f2f01784f52d%3AT%3D1735196613%3ART%3D1744615625%3AS%3DAA-Afjb8kbeupLLyQ0QHQmZxpM4v&prev_fmts=0x0&nras=1&correlator=3649901816922&frm=20&pv=1&rplot=4&u_tz=240&u_his=4&u_h=1080&u_w=1920&u_ah=1032&u_aw=1920&u_cd=24&u_sd=1&dmc=8&adx=448&ady=3421&biw=1905&bih=945&scr_x=0&scr_y=0&eid=95355972%2C95355974%2C42532524%2C95354563%2C95354565%2C95352052%2C31090357%2C95357716&oid=2&pvsid=1192939059846717&tmod=2042192330&uas=0&nvt=1&ref=https%3A%2F%2Fphys.org%2F&fc=1920&brdim=0%2C0%2C0%2C0%2C1920%2C0%2C1920%2C1032%2C1920%2C945&vis=1&rsz=%7C%7CpeEbr%7C&abl=CS&pfx=0&fu=128&bc=31&bz=1&td=1&tdf=2&psd=W251bGwsbnVsbCxudWxsLDNd&nt=1&ifi=4&uci=a!4&btvi=1&fsb=1&dtd=8

“Kinematik kimya” ilə keçici molekulları tutmaq

Tədqiqatçılar uzun müddət atom səviyyəsində canlı katalitik hadisələri müşahidə etməyə çalışdılar. Kimyəvi reaksiyalar başlanğıc materiallarla son məhsul arasındakı səyahətə bənzəyir. Səyahət zamanı keçici və bəzən gözlənilməz molekullar əmələ gəlir və sonra qəfil digər molekullara çevrilir. Bu “aralıq” molekullar gözlənilməz və keçici olduqları üçün onları aşkar etmək çətindir.

Bununla belə, reaksiyanın gedişini birbaşa izləməklə, elm adamları tam reaksiya yolunu aşkar etmək üçün hadisələrin dəqiq ardıcıllığını müəyyən edə və bu çətin aralıq maddələrə baxa bilərlər. Lakin son vaxtlara qədər bu gizli dinamikanı müşahidə etmək mümkün deyildi.

Ənənəvi elektron mikroskoplar atomları təsvir edə bilsələr də, onların şüaları katalizdə istifadə olunan yumşaq, üzvi maddələri təsvir etmək üçün çox güclüdür. Yüksək enerjili elektronlar karbon əsaslı strukturları asanlıqla parçalayır və alimlər məlumat toplamazdan əvvəl onları məhv edirlər.

“Ənənəvi ötürücü elektron mikroskopiya üsullarının əksəriyyəti üzvi molekulları asanlıqla zədələyən şəraitdə işləyir” dedi Kratish. “Bu, ənənəvi TEM metodlarından istifadə edərək reaksiya zamanı həssas katalizatorları və ya üzvi maddələri birbaşa müşahidə etməyi son dərəcə çətinləşdirir.”

Bu çətinliyin öhdəsindən gəlmək üçün komanda zərif üzvi molekulların şəkillərini çəkə bilən yeni texnika olan SMART-EM-ə müraciət etdi. 2018-ci ildə Nakamura və komandası tərəfindən təqdim edilən SMART-EM nümunəyə ötürülən enerji və zərərin miqdarını minimuma endirərək, daha aşağı elektron dozasından istifadə edir. Şəkillərin sürətli ardıcıllığını çəkməklə, SMART-EM dinamik proseslərin videolarını yaradır, Nakamura bunu “sinematik kimya” adlandırır.

Nakamura 2019-cu ildə verdiyi açıqlamada , “2007-ci ildən bəri fiziklər 200 ildən artıq bir arzunu – fərdi atomu görmək qabiliyyətini həyata keçirə bildilər” dedi . “Ancaq bununla da bitmədi. Tədqiqat qrupumuz kimyəvi reaksiyaları görünməmiş təfərrüatlarla görmək üçün molekulların videolarını yaratmaq üçün bu xəyaldan kənara çıxdı.”

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .Abunə ol

Dağınıqdan ölçülə bilənə qədər

SMART-EM-ni ilk dəfə kataliz üçün tətbiq edərkən Şimal-Qərb komandası sadə kimyəvi reaksiya seçdi: hidrogen atomlarını spirt molekulundan çıxarmaq. Ancaq əvvəlcə düzgün katalizatoru seçməli idilər. Sənaye katalizatorlarının təxminən 85%-i heterojendir, yəni onlar maye və qazlarla reaksiya verən bərk materiallardır.

Heterojen katalizatorlar sabit və səmərəli olsalar da, reaksiyaların baş verə biləcəyi bir çox müxtəlif səth sahələri ilə də qarışıqdırlar.

“Heterojen katalizatorların bir çox üstünlükləri var” dedi Kratish. “Ancaq böyük bir çatışmazlıq var: bir çox hallarda onlar qara qutudur. Onların reaksiyaların baş verə biləcəyi naməlum sayda saytları var. Beləliklə, biz reaksiyaların harada və necə baş verdiyini tam anlamırıq. Bu o deməkdir ki, katalizatorun hansı hissəsinin ən təsirli olduğunu dəqiq müəyyən edə bilmirik.”

Katalizatorun öyrənilməsini asanlaşdırmaq üçün Şimal-Qərb komandası yaxşı müəyyən edilmiş aktiv sahəyə malik bir sahəli heterojen katalizator hazırlamışdır. Tək sahəli katalizator konusvari karbon nanotubkasına bərkidilmiş molibden oksid hissəciklərindən ibarət idi. Daha sonra komanda SMART-EM-dən istifadə edərək onların katalizatorunun etanolun qalıq yanacaqlara təmiz alternativ olan hidrogen qazına çevrilməsini necə asanlaşdırdığını araşdırdı.

“Tək bir sayta sahib olmaq daha rahatdır” dedi Kratish. “Biz nəzarət etmək üçün yaxşı bir sayt seçə bilərik və onu həqiqətən böyüdə bilərik.”

https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?gdpr=0&us_privacy=1—&gpp_sid=-1&client=ca-pub-0536483524803400&output=html&h=188&slotname=8188791252&adk=1687169288&adf=809300024&pi=t.ma~as.8188791252&w=750&abgtt=6&fwrn=4&lmt=1744615755&rafmt=11&format=750×188&url=https%3A%2F%2Fphys.org%2Fnews%2F2025-04-atomic-video-catalytic-reaction-reveals.html&wgl=1&uach=WyJXaW5kb3dzIiwiMTkuMC4wIiwieDg2IiwiIiwiMTM1LjAuNzA0OS44NSIsbnVsbCwwLG51bGwsIjY0IixbWyJHb29nbGUgQ2hyb21lIiwiMTM1LjAuNzA0OS44NSJdLFsiTm90LUEuQnJhbmQiLCI4LjAuMC4wIl0sWyJDaHJvbWl1bSIsIjEzNS4wLjcwNDkuODUiXV0sMF0.&dt=1744615729912&bpp=3&bdt=202&idt=3&shv=r20250410&mjsv=m202504080101&ptt=9&saldr=aa&abxe=1&cookie=ID%3Df22668bce9793ae4%3AT%3D1735196613%3ART%3D1744615625%3AS%3DALNI_Mb4Xpwl1SO1AcvqroR6xccDm_sheQ&gpic=UID%3D00000f7c5320f40b%3AT%3D1735196613%3ART%3D1744615625%3AS%3DALNI_Mb1dz_DHiT2yDzXLMaB9CDkQl4XGg&eo_id_str=ID%3Dcdf7f2f01784f52d%3AT%3D1735196613%3ART%3D1744615625%3AS%3DAA-Afjb8kbeupLLyQ0QHQmZxpM4v&prev_fmts=0x0%2C750x188%2C1005x124&nras=2&correlator=3649901816922&frm=20&pv=1&rplot=4&u_tz=240&u_his=4&u_h=1080&u_w=1920&u_ah=1032&u_aw=1920&u_cd=24&u_sd=1&dmc=8&adx=448&ady=5584&biw=1905&bih=945&scr_x=0&scr_y=1806&eid=95355972%2C95355974%2C42532524%2C95354563%2C95354565%2C95352052%2C31090357%2C95357716&oid=2&psts=AOrYGsm0k9uLm0UMkFRhU9heSiqaPrNJnaP9Vg13J6mdP2H_L9lXcJGw1QrdC6Ga6JathrjENQpIz8xe-2WgVXOvwv3UmSXWmbc_LH-_bKBbXmzd5AzKUQ&pvsid=1192939059846717&tmod=2042192330&uas=3&nvt=1&ref=https%3A%2F%2Fphys.org%2F&fc=1920&brdim=0%2C0%2C0%2C0%2C1920%2C0%2C1920%2C1032%2C1920%2C945&vis=1&rsz=%7C%7CpeEbr%7C&abl=CS&pfx=0&fu=128&bc=31&bz=1&td=1&tdf=2&psd=W251bGwsbnVsbCxudWxsLDNd&nt=1&ifi=5&uci=a!5&btvi=3&fsb=1&dtd=26009

Gizli bir yolun açılması

Tədqiqatdan əvvəl elm adamları spirtin birbaşa katalizatora getdiyini, burada hidrogen qazına və aldehidə (spirt molekulunun oksidləşməsi zamanı əmələ gələn molekul) çevrildiyini irəli sürdülər. Oradan otaq temperaturunda qaz olan aldehid havaya qaçdı. Ancaq prosesin gedişatını izləmək fərqli bir hekayəni ortaya qoydu.

Tədqiqatçılar SMART-EM-dən istifadə edərək, aldehidin üzmədiyini, əksinə katalizatora yapışdığını aşkar etdilər. Onlar həmçinin qısa zəncirli polimerlər yaratmaq üçün bir-birinə bağlanmış aldehidləri tapdılar – bu, ümumi reaksiyanı idarə edən əvvəllər naməlum bir addım idi. Tədqiqatçılar başqa bir sürpriz olaraq, aldehidin spirtlə reaksiyaya girərək daha sonra digər məhsullara çevrilən ara molekul olan hemiasetal meydana gətirdiyini kəşf etdilər.

Bu tapıntıları təsdiqləmək üçün komanda müxtəlif mikroskopiya üsullarından, rentgen analizindən, nəzəri modellərdən və kompüter simulyasiyalarından istifadə edib. Hamısı SMART-EM məlumatlarına uyğun gəlir.

“Bu, böyük bir irəliləyişdir” dedi Kratish. “SMART-EM kimyaya baxış tərzimizi dəyişir. Nəhayət, biz həmin aralıqları təcrid etmək, sistemə qoyduğumuz enerjinin miqdarına nəzarət etmək və canlı üzvi katalitik çevrilmənin kinetikasını öyrənmək istəyirik. Bu fenomenal olacaq. Bu, yalnız başlanğıcdır.”

Daha çox məlumat: Yosi Kratish et al, Atomic-resolution views, a mechanistic tool as a single-site heterogenous catalysis, Chem (2025). DOI: 10.1016/j.chempr.2025.102541

Jurnal məlumatı: Chem 

Şimal-Qərb Universiteti tərəfindən təmin edilmişdir