先进的显微镜测试乙烯聚合60年的机制

研究人员第一次可视化了从简单单体逐步形成聚乙烯的过程。他们通过扫描隧道显微镜(STM)实现了这一目标，STM提供了原子分辨率，以跟踪催化剂表面聚合物链的传播情况。实验证实了60年前提出的一个经典反应机制。

中国北京大学的首席作者吴凯解释说，这一发现是偶然的。他说:“我们尝试了碳化铁，因为它也适用于类似的反应……幸运的是，它还催化了乙烯聚合。”这种非常活跃的固体表面与先进的STM技术一起是可视化反应的关键。

图像显示了单体的吸附，初始中间产物乙基的形成以及聚合物链的逐渐增长。聚合物专家解释说，这为最初发表于1964年的cosse - arlman假说提供了直接的力学证据，该假说仍然难以捉摸克莱尔马洪来自英国杜伦大学。她说:“这表明聚合物链是通过插入单体单元到金属-碳键中来传播的。”STM在催化剂表面清晰地显示了它们。她补充说:“(这些)是聚合过程的非凡图像。”

这种机制，也被称为配位聚合，控制着传统的催化过程，如齐格勒-纳塔。Wu解释说:“我们直接观察到，这种链是通过插入乙烯生长的，没有任何额外的引发剂。”尽管这项研究是基础性的，但它可能具有工业意义。马洪说:“聚乙烯生产(通常)使用表面支持的催化剂……这篇论文增强了我们对聚合过程的理解。”尽管如此，吴教授仍然持谨慎态度，液相和气相中类似的转变可能遵循不同的途径——即自由基反应。

分子和催化剂的电影一起构成了一个强大的工具，以辨别可能的途径，说乔·帕特森，来自美国加州大学欧文分校。作为材料科学和电子显微镜方面的专家，他理解从STM图像中得出结论的挑战。“对于受过训练的人来说，那些显而易见的东西对每个人来说都不明显。“因此，为了确保记录下每一步的高质量图像，研究人员在室温下进行了聚合。”然后，为了拍摄和表征更难以捉摸的中间产物，他们偶尔会淬火反应，将温度降低到10K以下。“这个‘冷冻’过程保证了更好的分辨率，”吴说。

帕特森说，此外，显微镜学家经常用计算模拟来补充直接可视化。他补充说:“在这种情况下，研究人员使用DFT(进一步)观察乙烯在表面的吸附情况。”“我们还进行了STM图像模拟来确认结果，”Wu解释说。研究小组将计算机生成的图像与真实照片进行了比较，以证实他们的假设。除此之外，这一策略还揭示了活性位点——由三个铁原子组成的簇。该物种在显微镜下的亮度帮助研究人员定位最初的中间产物，并确定反应的第一步。

帕特森解释说:“我们的目标是创造一个环境，第一次观察这种化学反应，(测试)一个基本的假设。”他补充说:“理解这些分子途径将为聚合物化学领域带来新的知识。”在未来，Patterson设想应用类似的方法来研究相反的反应——解聚反应。掌握这样的机制将成为解决塑料问题的关键。

Wu补充说:“我们的方法有望很快揭示更多的机制，这是聚合物化学的基础和挑战。”而且，多亏了先进的显微镜技术，“眼见为实”。