در سطح اتمی، دنیای شیمی مملو از فعالیت‌های مختلف است. اما نگاه ما به این دنیای شگفت‌انگیز عمدتاً ثابت است. در این بین، دانشمندان باید جزئیات واکنش‌های شیمیایی را از روی نتایج تجربی و شبیه‌سازی‌ها استنتاج کنند.

به نقل از ستاد توسعه فناوری نانو، اکنون دانشمندان دانشگاه ایلینویز در شیکاگو با همکاری چند مرکز تحقیقاتی دیگر، روی روش‌های جدید میکروسکوپ الکترونی کار می‌کنند تا از آن برای ایجاد یک استودیوی فیلم‌برداری برای واکنش‌های شیمیایی استفاده کنند. مرکز مشاهدات چندوجهی برای تصویربرداری تک اتمی شیمی، یا MOSAIC، در پاییز امسال از طریق کمک مالی ۱٫۸ میلیون دلاری از بنیاد ملی علوم تامین  مالی شد.

این همکاری مشترک، «سلول‌های مایع» ایجاد می‌کند که به دانشمندان اجازه می‌دهد تا واکنش‌های شیمیایی را در زیر میکروسکوپ تنظیم، کنترل و اندازه‌گیری کنند. محققان از میکروسکوپ‌های الکترونی قدرتمند و پیشرفته در UIC برای ثبت این واکنش‌ها در حرکت استفاده می‌کنند و بینشی تازه از دینامیک اتمی و مولکولی به دست می‌آورند.

رابرت کلی، رئیس بخش فیزیک در UIC گفت: «ما در تلاش هستیم تا محیط‌های نمونه میکروسکوپ الکترونی را ایجاد کنیم که به ما امکان می‌دهد واکنش شیمیایی را در مراحل اولیه تشکیل ماده مشاهده کنیم. با این کار می‌توانیم درک کنیم که مولکول‌های آلی چگونه شکل می‌گیرند و با محیط‌های مختلف برهم‌کنش می‌کنند.»

با میکروسکوپ‌های الکترونی، دانشمندان می‌توانند ماده را در سطح اتم‌های منفرد ببینند. آن‌ها این کار را با پرتاب یک پرتو پرانرژی از الکترون‌ها به داخل نمونه انجام می‌دهند، اما این کار می‌تواند نمونه را تغییر دهد یا حتی از بین ببرد. این بدان معناست که دانشمندان می‌توانند در هر زمان تنها یک تصویر بگیرند. اغلب، آن‌ها مجبورند نمونه‌ها را در نقاط بحرانی واکنش شیمیایی منجمد کنند تا از مراحل کلیدی تصویر بگیرند.

کشف گرافن در اوایل دهه ۲۰۰۰ راه حلی را برای این مشکل ارائه داد. با قرار دادن یک لایه گرافن در بالا و یک لایه در زیر یک نمونه مایع، دانشمندان می‌توانند از نمونه در برابر پرتو و سایر تداخل محافظت کنند. در سال ۲۰۱۴، کلی یکی از اولین کسانی بود که از این سیستم هنگام مطالعه فریتین، یک پروتئین مهم برای ذخیره آهن، استفاده کرد.

این مرکز این روش سلول مایع گرافن را برای اندازه‌گیری‌های بیشتر و کنترل گسترده نمونه، ارتقا می‌دهد. دانشمندان دانشگاه شیکاگو سلول‌هایی را مهندسی خواهند کرد که حاوی مواد تشکیل‌دهنده یک واکنش شیمیایی هستند، سپس می‌توان آن‌ها را زیر میکروسکوپ تحریک و دستکاری کرد.

پژوهشگران از نمونه‌های کوچک شروع خواهند کرد. آن‌ها رفتار ذرات تک‌اتمی را که واکنش‌های شیمیایی را کاتالیز می‌کنند، مشاهده خواهند کرد. سپس به سمت خوشه‌های مولکولی بزرگتر و ساختارهای نانوبلوری حرکت خواهند کرد. کلی امیدوار است که آن‌ها همچنین به نقطه‌ای برسند که بتوانند مولکول‌های پیچیده‌تری را مشاهده کنند و دیدگاه‌های بی‌سابقه‌ای از فرآیندهایی را ببینند که در شیمی، زیست‌شناسی و علم مواد حیاتی هستند.

کمک مالی NSF به ارتقای تجهیزات میکروسکوپ الکترونی در UIC برای امکان استفاده از سلول‌های مایع گرافن جدید کمک می‌کند. میکروسکوپ الکترونی بدون میدان مغناطیسی جدید دانشگاه، اولین نوع خود در آمریکا، پس از نصب در اوایل سال ۲۰۲۵ نیز نقشی مهم در تحقیقات این مرکز ایفا خواهد کرد.