Science最新封面：電子衍射讓納米單晶中的氫原子無所遁形

【引語】

北京時間1月13日，Science網站發表了一篇題為“Hydrogen positions in single nanocrystals revealed by electron diffraction”的封面文章，論文通訊作者為捷克科學院物理研究所的L. Palatinus和法國國立卡昂高等工程師學院的P. Boullay。

研究發現，通過使用動態精化與電子衍射數據采集的方法，可定位微米級以下有機或無機單晶材料中的氫原子。氫原子的定位向來是晶體結構分析中的巨大挑戰之一，如果能夠成功檢測，則預示著研究者們能更清晰的了解晶體材料的性質與功能。而該項研究則成功地獲得了突破，為揭示探究晶體結構的細節開辟了新路徑。

【成果簡介】

氫原子的位置在晶體結構分析中十分重要，但往往其散射功率過小以致其位置難以確定。本文作者報道了一種最新研發的動態旋進電子衍射的成像數據細化方法，該方法能直接顯示出氫原子在納米晶材料中的位置（包括水合物以及復雜的有機物）。無論是有機材料（對乙酰氨基酚）還是無機材料（鈷鋁框架）中的氫原子的位置都可確定，并且清晰準確的反應結構中的細節（其中包括微米甚至納米級別尺度的單晶中氫原子的位置）。

本文中作者對兩種之前難以確定氫原子方位的結構進行成功的定位，分別是有機物對乙酰氨基酚（II）晶體與鈷鋁磷酸鹽（CAP）。

【圖文導讀】

圖1 對乙酰氨基酚的PEDT結構分析

（A）對乙酰氨基酚（II）晶體的透射電子顯微鏡法（TEM）圖像。如圖所示，圓圈表示在數據采集過程中，電子束的移動以減小輻射損傷。

（B）表示沿a軸的一層晶體結構，并通過疊加差分電位圖顯示出氫原子位置的最大值。其中，等值面水平分別為2 σ[△V(r)]（亮灰色部分）和3 σ[△V(r)]（黃色部分）。

圖2 鈷鋁磷酸鹽（CAP）沿晶相[-2 -1 0]的結構圖（正八面體Al(1)O₆, Co(1)O₆, 與 Co(2)O₆的環境）

正八面體Co(2)O₆僅有部分被Co占據。圖上標出了每個多面體中央陽離子的類型，其中亦顯示了氫離子的位置（紅球表示O原子）。

圖3 CAP的PEDT結構分析

（A）CAP典型晶體的TEM圖像。其中黑色圓圈表示在數據采集過程中，部分晶體受到電子束輻照。

（B）表示沿著c軸，對CAP結構進行投影，并通過疊加差分電位圖顯示出氫原子位置的最大值。其中，等值面水平分別為2 σ[△V(r)]（亮灰色部分）和3 σ[△V(r)]（黃色部分）。虛線畫的橢圓形標出了一個沿c的通道。

圖4 CAP差分電位圖顯示等值面

差分點位圖用于表示以下結構附近的等值面情況（A）AlO₅·H₂O，（B）CoO₂（OH）₂·2H₂O以及（C）PO₃OH基團（對應原子顏色見圖三）。其中，等值面水平分別為2 σ[△V(r)]（亮灰色部分）和3 σ[△V(r)]（黃色部分）。通過DFT計算與PEDT的精化獲得氫原子的位置，分別以黑色和白色標出。

【總結】

該論文使用動態精化與電子衍射數據采集的方法成功定位微米級以下有機或無機單晶材料中的氫原子，為細致分析并透徹了解晶體的功能與性能開辟了新的路徑。

文獻鏈接：Hydrogen positions in single nanocrystals revealed by electron diffraction (Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aak9652)

同期PERSPECTIVE文章鏈接：Electron diffraction and the hydrogen atom（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4570）

本文由材料人編輯部納米組pengyuman供稿，材料牛編輯整理。

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