在原子层面上，化学活动如旋风般迅猛。但我们对这个奇妙世界的观察大多是静态的。科学家不得不从静态图像、实验结果和填补空白的模拟中推断化学反应的细节。
现在，伊利诺伊大学芝加哥分校和其他机构的科学家们正在合作研究新的电子显微镜技术，以创建一个化学反应电影制片厂。今年秋天，美国国家科学基金会（National Science Foundation）拨款 180 万美元资助了化学单原子成像多模式观测中心（Center for Multimodal Observations for Single Atom Imaging of Chemistry，简称 MOSAIC）。UIC 将从中获得 27 万美元。
这项合作是美国国家科学基金会化学创新中心计划的一部分，将创建 “液态细胞”，使科学家能够在显微镜下建立、控制和测量化学反应，这是前所未有的。研究人员将在 UIC 使用功能强大、技术先进的电子显微镜来捕捉这些运动中的反应，为原子和分子动力学提供新的视角。
“我们正在努力开发电子显微镜样本环境，使我们能够在物质形成的最早期阶段观察化学，”UIC 物理系教授兼系主任、该中心副主任 Robert Klie 说。”我们有可能了解有机分子是如何形成并与不同环境相互作用的，这是化学和材料科学的终极圣杯。
利用电子显微镜，科学家可以看到单个原子级别的物质。他们通过向样品发射高能电子束来实现这一目的，但这会改变甚至破坏样品。这意味着科学家一次只能捕捉到一幅图像。通常，他们必须在化学反应的关键点冷冻样品，以捕捉关键步骤。
液态cell中的样品位于两层石墨烯之间。(图片：Adobe Stock）
本世纪初发现的石墨烯–一种由单层碳原子构成的材料–提供了一种解决方案。通过在液体样品的上方和下方各放置一层石墨烯，科学家可以保护样品免受光束和其他干扰。2014 年，Klie 在研究铁蛋白（一种对储存铁很重要的蛋白质）时，成为最早使用这种系统的人之一。（High-Resolution Electron Microscopy and Spectroscopy of Ferritin in Biocompatible Graphene Liquid Cells and Graphene Sandwiches, 10.1002/adma.201306069）
Klie说：”这种方法的目标是，我们希望在显微镜中观察化学，而不是引起化学。”我们想知道，你实际观察到的是自然发生的化学反应，而不是你通过向其照射如此高活性的电子束而引起的化学反应。
该中心将推进这种石墨烯液态cell方法，以便进行更多的测量和扩大对样品的控制。芝加哥大学的科学家们将设计出含有化学反应成分的cell，然后在显微镜下对其进行触发和操作。
研究人员将从小处着手。他们将观察催化化学反应的单原子粒子的行为。然后，他们将转向更大的分子集群和纳米晶体结构。但 Klie 希望他们也能达到这样的境界：观察更复杂的分子，并对化学、生物学和材料科学中至关重要的过程进行前所未有的观察。
国家科学基金会的资助将为 UIC 的电子显微镜设备升级提供资金，以便使用新型石墨烯液体电池。该校的新型无磁场电子显微镜（美国首台）将于 2025 年初安装完毕，届时它也将在该中心的研究中发挥作用。
Klie说，通过合作设计和使用这些前沿成像方法，UIC 将继续保持在电子显微镜领域的领先地位。
“我们的电子显微镜中心将是 MOSAIC 和展示这些液态细胞潜力的关键，”Klie 说。”我们希望成为广大化学界进行此类分析的目的地。
除伊利诺伊大学和芝加哥大学外，该中心还包括伊利诺伊大学香槟分校和阿贡国家实验室的研究人员。
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