Forskere producerer første gang nogensinde videoer af kemisk syntese ved atomopløsning

For første gang, forskere har formået at se tidligere utilgængelige detaljer om visse kemiske processer. De har vist, at der er betydelige diskrete stadier i disse processer, der bygger på eksisterende viden om kemisk syntese. Disse detaljer kunne hjælpe med udviklingen af ​​metoder til at syntetisere kemikalier med større kontrol og præcision end nogensinde før. Metoder som disse kan være nyttige i materialevidenskab og i lægemiddeludvikling.

"Siden 2007, fysikere har realiseret en drøm over 200 år gammel - evnen til at se et individuelt atom, ”sagde projektprofessor Eiichi Nakamura.” Men det sluttede ikke der. Vores forskergruppe har nået ud over denne drøm om at lave videoer af molekyler for at se kemiske reaktioner i enestående detaljer. "

Nakamuras team fra University of Tokyos afdeling for kemi søger at mestre kontrollen over forskellige kemiske processer, der er ansvarlige for materialesyntese. Imidlertid, kemisk syntese er et kompliceret fagområde.

"Konventionelle analysemetoder som spektroskopi og krystallografi giver os nyttige oplysninger om resultaterne af processer, men kun antydninger om, hvad der finder sted under dem, "forklarede Koji Harano, projektlektor i Nakamura-gruppen. "For eksempel, vi er interesserede i metal-organiske ramme (MOF) krystaller. De fleste undersøgelser ser på væksten af ​​disse, men går glip af det tidlige stadium af kernedannelse, da det er svært at observere. "

De forbigående faser af komplekse kemiske reaktioner er vanskelige at studere, da der er flere mellemliggende processer, der opstår mellem starten og slutningen af ​​de fleste reaktioner. I princippet, de enkelte stadier kunne ses, men i virkeligheden, det var umuligt at isolere produkterne på hvert trin og se, hvordan disse ændrede sig med tiden. Nakamura, Harano og team brugt over 10 år på dette problem, og har udviklet en metode kaldet molekylær elektronmikroskopi.

"Det var et problem i to dele, " sagde Harano. "På den store skala, der var en ingeniørmæssig udfordring for at kombinere et unikt elektronmikroskop i høj opløsning med en hurtig og følsom billedsensor til kontinuerlig billeddannelse; i lille skala, vi var nødt til at udtænke en måde at fange interessemolekylerne på og holde dem på plads, så kameraet kunne fange handlingen. "

For at isolere og sikre bestemte molekyler, holdet brugte et specielt modificeret kulstof nanorør. Dette ville fange et forbipasserende molekyle og holde det på plads, men afgørende, ville ikke forstyrre reaktionerne af det molekyle. Denne måde, hvert trin i reaktionen ville finde sted på spidsen af ​​nanorøret, som igen blev holdt på plads i elektronmikroskopets brændpunkt. De resulterende data kan gøres til real-time videoer af reaktionerne.

"Det, der overraskede os meget i starten, var, at vores plan faktisk virkede. Det var en kompleks udfordring, men vi visualiserede først disse molekylære videoer i 2013, " sagde Harano. "Mellem dengang og nu, vi arbejdede på at gøre konceptet til et nyttigt værktøj. Vores første succes var at visualisere og beskrive et terningformet molekyle, som er en afgørende mellemform, der opstår under MOF -syntese. Det tog et år at overbevise vores anmeldere om, at det, vi fandt, var ægte."

Dette er blot det første skridt hen imod evnen til at få kontrol over kemisk syntese på en præcis og kontrolleret måde - et udtryk forskerne kalder "rationel syntese." Det er vigtigt at observere detaljer om reaktioner, efterhånden som de skrider frem, så de effektivt kan ombygges. Drømmen for 200 år siden var at se et atom; drømmen nu er at kontrollere molekyler for at skabe ting som syntetiske mineraler til byggeri, eller endda nye lægemidler for at redde liv.