东京工业大学科学技术创成研究院化学生命科学研究所的今冈享稔副教授和山元公寿教授与物质理工学院应用化学系的研究生稻津美纪（研究时）和赤田雄治等人组成的研究团队，利用高分辨率电子显微镜全球首次实时观察了异种金属原子键合的情况。另外，还利用该方法直接观测了此前不可能观测到的各含一个金-银-铜原子的最小三元素合金AuAgCu。这些成果有望明确催化剂的机理并实现新的设计。相关内容已经发布在Nature Communications网络版上。
图1：利用ADF-STEM法观察金属原子聚体（供图：东京工业大学）
近年来，已可以通过连续观察原子图像来直接观察原子动态。在接连生成的原子序列结构中观察到很多具有与计算化学一致的序列和键距的结构。然而，要以利用这种方法观测异种原子之间的键，需要识别单个原子的元素。
常见的结合电子显微镜识别元素的分析方法为EDS（能量色散X射线光谱法）和EELS（电子能量损失谱），但这两种方法都无法用于移动原子的鉴定，各元素的排列只能通过分子轨道计算等方法预测。
在此次研究中，作为分析由多种元素构成的金属聚集体分子结构的观察方法，采用了单个原子的亮度与原子序数相关的环形暗场像-扫描透射电子显微镜法（ADF-STEM法）。原子在观察过程中每时每刻都在移动，因此进行了在追踪原子坐标的同时测量亮度的视频追踪分析。
利用ADF-STEM法观察的原子是一个明亮的亮点，其亮度与原子序数的n次方（n为1～2之间的数）成正比。研究团队观察到大量吸附在石墨烯上的金、银、铜原子，并在适当去除噪声和背景后拍摄了图像的原子亮度分布。由此发现，每种原子的亮度分布都接近正态分布，并且其众数与原子序数Z的1.15次方成正比，这些均与模拟预测的相关性高度一致。另外，通过视频追踪分析获得的各原子的亮度误差非常小，金、银、铜原子能以99％以上的精度相互区分。
图2：此次成功地直接观测到了金银铜AuAgCu异核三原子分子的HDF-STEM图像（上部为拍摄到的原始图像，下部为通过图像处理为各原子着色后的图像）（供图：东京工业大学）
通过视频观察石墨烯上蒸镀的金、银、铜原子发现，原子始终在石墨烯表面移动，原子之间相互键合或分离。原子相互接近到一定距离时会相互吸引，似乎结合在了一起。为了了解这种运动模式，研究团队调查了一帧视频中两个金原子之间的距离，以及下一帧中键是延伸还是收缩的频率进行了统计。由此确认，在大多数情况下，两个原子之间的距离以约0.26纳米（金二聚体的键距）为众数分布，键的延伸频率和收缩频率以这个距离为分界线进行切换。这表明，当原子间的距离比平衡核间距离（0.26纳米）远时，原子之间会产生引力。
另外，还观察到了原子之间的键不断形成和断裂的情况。不仅是同类原子之间，异类原子之间也会形成键，并首次直接观察到了共24种同核和异核双原子分子。此外，还全球首次成功观察到了由在块状金属中通常不会相分离形成均匀合金的货币金属金、银、铜各一个原子构成的三原子分子。
此次使用的方法今后还能为调查金属亚纳米粒子（簇）等非晶结构无机材料的结构做贡献，并有助于设计新型催化剂等。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Dynamic hetero-metallic bondings visualized by sequential atom imaging
DOI：10.1038/s41467-022-30533-y(External site)
