Voor het eerst zijn twee metaalatomen die zich binden en breken op beeld vastgelegd.

Atomen zijn de bouwstenen van de wereld. Alles om ons heen is gebaseerd op dat ene chemische proces waarbij twee atomen zich binden en materie vormen. Toch weten onderzoekers nog maar weinig over hoe en waarom atomen zich aan elkaar verbinden. Daar wilde een onderzoeksteam verandering in brengen. En met succes. In een nieuwe studie is het gelukt om voor het eerst een filmpje te maken waarop te zien is hoe een chemische verbinding tot stand komt.

Atomen
Of het nu een molecuul is (dat opgebouwd is uit atomen die in een vaste rangschikking van chemische verbindingen met elkaar verbonden zijn), of een volledig levend organisme: uiteindelijk wordt alles bepaald door de manier waarop atomen zich binden en de manier waarop bindingen breken. Dit is echter ontzettend lastig te doorgronden. De lengte van chemische verbindingen zijn namelijk tussen de 0,1 en 0,3 nanometer, ofwel; ongeveer een half miljoen keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Hierdoor is het bijna onmogelijk om de binding tussen een paar atomen direct waar te nemen.


Reniumatomen
Een nieuw onderzoeksteam liet zich echter niet uit het veld slaan. Zij besloten het onmogelijke mogelijk te maken en besloten een baanbrekend filmpje tot stand te brengen waarop te zien is hoe atomen zich met elkaar verbinden. Een ware primeur: dit is nog nooit eerder gelukt. Om het proces vast te leggen, sloten de onderzoekers een paar reniumatomen – een soort chemisch element van zware metalen – op in nauwe koolstofnanobuisjes. Dit zijn hele kleine dunne, holle cilinders van koolstof die dienen als reageerbuisjes voor de atomen. “Nanobuisjes helpen ons om atomen of moleculen te vangen en precies daar te plaatsen waar we willen,” legt onderzoeker Andrei Khlobystov uit. “In dit geval hebben we voor rheniumatomen gekozen. Dat komt omdat dit atoom gemakkelijker te zien is dan lichtere elementen, waardoor we elk metaalatoom als een donkere stip konden herkennen.”

Hierboven is het bijzondere filmpje te aanschouwen. Op de 18 seconden durende video is te zien hoe twee atomen rond hoppen, vervolgens met langzame stoten steeds dichterbij elkaar komen en uiteindelijk samenvloeien. Dat duurt overigens maar even. Het stipje springt wat in het rond alvorens de verbinding weer verbroken wordt. Even later komen de atomen wederom samen en vormen dan het Re2-molecuul. “Het was verrassend hoe de twee atomen bewegen, wat duidelijk een band tussen de twee aangeeft,” zegt onderzoeker Kecheng Cao. “Belangrijk is dat wanneer Re2 langs de nanobuis naar beneden beweegt, de bindingslengte verandert. Dit geeft aan dat de binding sterker of juist zwakker wordt, afhankelijk van de omgeving rond de atomen.”


Metaalatomen
Verbindingen tussen metaalatomen zijn erg belangrijk in de scheikunde, met name voor het begrijpen van magnetische, elektrische of katalytische eigenschappen van materialen. Wat het echter zo’n uitdaging maakt is dat overgangsmetalen – zoals Re – verbindingen met verschillende volgordes kunnen vormen; van enkele tot vijfvoudige verbindingen. In het huidige experiment hebben de onderzoekers vastgesteld dat de twee reniumatomen hoofdzakelijk via een viervoudige verbinding zijn verbonden, wat nieuwe fundamentele inzichten in de chemie van overgangsmetalen oplevert.

Het korte filmpje is een uitzonderlijke prestatie. “Voor zover wij weten is dit de eerste keer dat de samenvloeiing, het verbreken en het vormen van de verbinding op atomaire schaal op video is vastgelegd,” zegt Khlobystov. “We verleggen grenzen en gaan steeds beter de dynamiek van individuele moleculen in real time begrijpen.”