在自媒體短視頻盛行的當下，化學反應也期望擁有自己的專屬視頻。

然而這談何容易！化學反應在微觀層面可能瞬息萬變，且所涉及原子體積微小（10-10m數量級）、種類繁復。為化學反應定格瞬間已是舉步維艱，遑論獲取視頻了。200年來，化學反應的原子級可視化一直是夢幻泡影。

如今，原位觀察化學反應已不再是夢想！日本東京大學中村榮一教授課題組近日在《自然·通訊》上發表了一種名為SMART-EM（single-moleculeatomic-resolution real-time electron microscopy）的技術。該技術基于透射電子顯微鏡，成功拍攝了具有原子級分辨率的兩種金屬-有機框架材料——MOF-2和MOF-5——在生長初期形成結構迥異的前驅晶體的過程。

將反應物固定于電子束的焦點，但又不影響反應的正常進行，是獲得原子級分辨率化學反應視頻的關鍵。為此，研究者們制備了一種碳空心管，并在管尖端附近通過共價鍵接上對苯二甲酸形成錨定反應物的“魚鉤”。由于對苯二甲酸分子是構成MOF-2和MOF-5分子的必要原料，兩種MOF均可在碳管表面生長，使得在原子水平觀察MOF生長過程成為可能。

圖1. SMART-EM樣品“魚鉤”。（a）MOF前驅晶體（PNC）在表面修飾有對苯二甲酸碳空心管（BDC-CNH）尖端附近生長的化學反應。（b和c）BDC-CNH的（b）SMART-EM圖像和（c）模型示意圖。白色箭頭指示表面的對苯二甲酸基團。圖片來源：Nature Communications。

作者們利用SMAT-EM技術觀察到MOF-2和MOF-5分子在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中生長初期產生的前驅晶體形貌大相徑庭。95°C下，反應形成MOF-2。Zn2+-對苯二甲酸配合物形成鏈式分子及四元環。除此之外，作者們未觀察到具有更高對稱性的分子。而當加熱到120°C時，反應形成MOF-5。此時，部分Zn2+-對苯二甲酸配合物形成具有高對稱性的三維立方體結構。隨著反應時間延長，立方體前驅晶核數量提升。264秒后，三維立方體穩定形成。作者們認為造成兩種溫度下前驅晶體形態差異的原因與溶劑DMF熱分解產生O2-離子有關。

圖2. MOF-2視頻第19秒圖像分析。（a）SMART-EM實際圖像；（b）模擬電鏡圖像；淺藍色和紫色虛線圈分別標注鋅離子和垂直于屏幕的苯環。（c）翻轉90°后的分子結構模擬意圖；（d）基于圖（a）的分子結構模擬圖。紅、淺藍、深藍和灰球分別代表氧、鋅、氮和碳。圖片來源：Nature Communications。

MOF-5前驅晶體生長。來源：NatureCommunications。

圖3. MOF-5前驅晶體的結構。（a）SMART-EM圖像；（b）模擬電鏡圖像；淺藍色和紫色虛線圈分別標注鋅離子和垂直于屏幕的苯環。（c）基于圖（a）的分子結構模擬圖。紅、淺藍、深藍和灰球分別代表氧、鋅、氮和碳。圖片來源：Nature Communications。

雖然視頻的清晰度尚待提升，但筆者堅信通過科學家們持之以恒的努力，各類化學反應的高清視頻終將刷爆學術界朋友圈。原野幸治教授（文章共同通訊作者）在東京大學的采訪中提及其團隊早在2013年便觀察到了立方體型的MOF-5前驅晶體。文章發表前，他們花了整整一年時間來說服審稿人認可他們的成果。

更多細節請見原文：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11564-4