برای اولین بار در تاریخ، تیمی بین‌المللی به رهبری دانشگاه نورث‌وسترن توانستند واکنش شیمیایی را در مقیاس اتمی، به صورت زنده و واقعی مشاهده کنند. آن‌ها با استفاده از فناوری تصویربرداری پیشرفته، موفق به ثبت ویدئوهایی شگفت‌انگیز از جابجایی اتم‌ها در حین واکنش شیمیایی شدند. این واکنش شامل جدا شدن اتم‌های هیدروژن از یک مولکول الکل بود. در جریان این مشاهده، مولکول‌های واسطه‌ای که عمر بسیار کوتاهی دارند و قبلاً ناشناخته بودند نیز کشف شدند.
دستاورد این تیم بر پایه روشی بسیار نوین به نام میکروسکوپ الکترونی زمان-تفکیکی تک‌مولکولی با وضوح اتمی (SMART-EM) حاصل شده است. این روش به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا دقیقا مراحل واکنش را در سطح مولکولی ببینند
چرا شناخت فرآیند کاتالیز اهمیت دارد؟
“وقتی این تصاویر را دیدم و واکنش‌ها را دنبال کردم، درک کردم که دقیقاً چه اتفاقی در مقیاس اتمی می‌افتد. این چیزی است که قبلاً امکان‌پذیر نبود. من مجبور شدم لپ‌تاپم را ببندم و چند ساعت استراحت کنم. چنین چیزی قبلاً در علم کاتالیز مشاهده نشده بود”.
این جملات از زبان یوسی کراتیش (Yosi Kratish)، نخستین نویسنده مقاله و از اعضای اصلی تیم پژوهشی بیان شد.
از سوی دیگر، توبین جی. مارکس (Tobin J. Marks)، استاد برجسته شیمی، افزود: “کاتالیزورها ستون فقرات زندگی صنعتی مدرن هستند؛ از تولید سوخت و کودهای شیمیایی گرفته تا ساخت دارو و پلیمر. اگر بتوانیم عملکرد آن‌ها را دقیقاً در سطح اتمی درک کنیم، می‌توانیم فرآیندهای شیمیایی را بسیار پاک‌تر و کارآمدتر طراحی کنیم”.
مشاهده مولکول‌های فرّار با «سینمای شیمی»
در بسیاری از واکنش‌ها، مولکول‌هایی گذرا در میانه مسیر شکل می‌گیرند که عمر بسیار کوتاهی دارند و رصد آن‌ها با روش‌های سنتی امکان‌پذیر نیست. این مولکول‌ها همان “واسطه‌ها” هستند که کلید فهم مکانیزم واکنش‌ها محسوب می‌شوند. تا پیش از این، مشکل بزرگ این بود که
به دلیل شدت زیاد پرتوی الکترونی، ساختارهای کربن‌پایه را در همان لحظات اولیه تخریب می‌کردند. این موضوع مانع از مشاهده دقیق مولکول‌های آلی می‌شد.
اما روش SMART-EM با دز پایین الکترونی و توان تصویربرداری سریالی، توانست این محدودیت را کنار بزند. ناکامورا از این فناوری با عنوان “سینمای شیمی” یاد کرده است.
طراحی واکنش برای مشاهده بهتر
برای شروع آزمایش، تیم تصمیم گرفتند روی واکنشی ساده تمرکز کنند: جدا کردن اتم‌های هیدروژن از یک الکل. اما نکته کلیدی، انتخاب یک کاتالیزگر تک‌سایت (single-site) بود؛ چرا که بیشتر کاتالیزگرهای صنعتی حالت ناهمگن (heterogeneous) دارند و شامل سطوح متعددی برای واکنش هستند که مطالعه آن‌ها را دشوار می‌کند.
این تیم، کاتالیزگر خود را از ذرات اکسید مولیبدن (molybdenum oxide) ساختند که بر روی نانولوله‌های کربنی مخروطی شکل تثبیت شده بودند.
کشف مرحله‌ای ناشناخته در واکنش
در مدل سنتی، انتظار می‌رفت که الکل روی سطح کاتالیزگر اکسید شده و به آلدهید و گاز هیدروژن تبدیل شود. اما SMART-EM نشان داد که داستان پیچیده‌تر است:
• آلدهید تولیدشده روی سطح باقی می‌ماند و فرار نمی‌کند.
• آلدهیدها به هم می‌پیوندند و زنجیره‌های کوتاه پلیمری تشکیل می‌دهند.
• همچنین آلدهید با الکل واکنش داده و مولکول واسطه‌ای به نام همی‌آکتال (hemiacetal) را می‌سازد.
• این مولکول به مواد دیگر تبدیل می‌شود که پیش از این ناشناخته بود.
تأیید یافته‌ها با روش‌های تکمیلی
برای اطمینان از صحت این مشاهدات، تیم تحقیقاتی از چندین روش کمکی مانند:
• میکروسکوپ‌های دیگر
• آنالیز پرتو ایکس
• مدل‌سازی نظری و شبیه‌سازی محاسباتی استفاده کردند. تمام این روش‌ها، یافته‌های SMART-EM را تأیید کردند.
سخن پایانی
“این فناوری شیوه نگاه ما به شیمی را تغییر خواهد داد. هدف بعدی ما این است که بتوانیم این مولکول‌های واسطه را ایزوله کنیم، مقدار انرژی تزریقی را کنترل کنیم، و سینتیک واکنش را به صورت زنده بررسی نماییم. این فقط آغاز راه است”.
