Как увидеть невидимое: что открыли учёные, впервые сняв катализ на атомном уровне?

Впервые в истории науки исследователи смогли зафиксировать на видео движение отдельных атомов во время каталитической реакции. Используя уникальную технологию SMART-EM (Single-molecule Atomic-resolution Time-resolved Electron Microscopy), они увидели, как происходит удаление водорода из молекулы этанола, и обнаружили промежуточные соединения и неизвестный ранее путь реакции.
Как увидеть невидимое: что открыли учёные, впервые сняв катализ на атомном уровне?
Изображение носит иллюстративный характер

SMART-EM — инструмент, разработанный группой профессора Эйити Накамуры из Токийского университета и впервые представленный в 2018 году. Эта технология позволяет наблюдать за отдельными молекулами в реальном времени, используя низкую дозу электронов, что предотвращает разрушение органических материалов, характерное для традиционных электронных микроскопов. По словам Накамуры: «С 2007 года физики осуществили мечту, которой было более двухсот лет — мы можем видеть отдельные атомы... Наша группа пошла дальше: мы создали видеозапись молекул и увидели химические реакции с беспрецедентной детализацией».

В исследовании, опубликованном в журнале Chem под заголовком «Atomic-resolution imaging as a mechanistic tool for studying single-site heterogeneous catalysis», участвовали учёные из Северо-Западного университета и Токийского университета. Руководитель проекта, Тобин Дж. Маркс, профессор химии и инженерии, отметил: «Катализаторы делают современную жизнь возможной... Чтобы сделать химические процессы более эффективными и экологичными, нам необходимо понять, как именно работают катализаторы на атомном уровне. Наше исследование — большой шаг к этому».

В промышленности 85% всех катализаторов являются гетерогенными: они представляют собой твёрдые вещества, вступающие в реакцию с газами или жидкостями. Несмотря на эффективность и стабильность, такие катализаторы остаются «чёрным ящиком» из-за множества различных активных участков на их поверхности. SMART-EM впервые позволил наблюдать за работой одного каталитического центра во время реакции.

В качестве модели исследователи выбрали реакцию превращения этанола в водород — чистое топливо будущего. Для максимально точного изучения был создан односайтовый гетерогенный катализатор: частицы оксида молибдена закрепили на конусообразных углеродных нанотрубках, что обеспечило строго определённое активное место для реакции. Учёные смогли в реальном времени наблюдать, как с поверхности катализатора удаляются атомы водорода.

Ранее считалось, что этанол под действием катализатора превращается в водород и альдегид, который сразу улетучивается. Однако видео показало, что альдегид не покидает катализатор, а соединяется с другими молекулами, образуя короткоцепочечные полимеры — ранее неизвестный этап. Кроме того, альдегид вступает в реакцию с этанолом, формируя промежуточное соединение — гемиацеталь. Эти промежуточные вещества затем трансформируются в другие продукты. Все наблюдения были подтверждены дополнительными методами микроскопии, рентгеновским анализом, теоретическим моделированием и компьютерным моделированием.

«В прошлом мы не могли увидеть, как движутся атомы. Теперь мы можем...», — подчеркнул Кришна С. Кратиш, соавтор работы. Его слова дополнил вывод: «SMART-EM меняет наш взгляд на химию... Это только начало».

Исследование открывает путь к изоляции и изучению промежуточных соединений, управлению энергетикой реакций и подробному исследованию «живой» кинетики органических трансформаций с помощью катализаторов. Полученные знания позволят создавать более эффективные и экологичные химические процессы, а также глубже понять фундаментальные механизмы работы катализаторов.


Новое на сайте

20868Уязвимости Plex открыли путь майнерам и Linux-бэкдору 20867Взлом OpenCode Console: под угрозой могли оказаться ключи OpenAI, Anthropic и Google 20866Rank Math PRO: заражённое обновление оставило на сайтах самовосстанавливающийся бэкдор 20865Как исследовательские модели OpenAI обходили ограничения и присваивали чужие данные 20864Атака на BeyondTrust: шпионская группа получила доступ к серверам поддержки 20863Как пакет imgdecode превращает npm-зависимость в загрузчик вредоносного кода? 20862Как PEERSTITCH обходит проверки VPN-сессий FortiOS? 20861Что происходит, когда ИИ-агент выходит за пределы тестовой среды? 20860Как 37-летняя ошибка открыла путь к root в OpenBSD 7.9? 20859ИИ-модели для SOC: точный ответ зависит от улик 20858Как одна учётная запись ConnectWise открыла доступ к 173 арендаторам Microsoft 365? 20857Пять минут до заражения: как подменили обновления AOMEI Backupper 20856Ловушка под видом регистрации: как UAT-11985 крадёт аккаунты Google 20855Может ли виртуальная машина прочитать память хоста? 20854Как дешёвые Android-смартфоны превращаются в чужие прокси?
Ссылка