Kemikere tilføjer farve til kemiske reaktioner

Kemikere ved Syracuse University er kommet med en innovativ ny måde at visualisere og overvåge kemiske reaktioner i realtid.

Medlemmer af Maye Research Group i Institut for Kemi har designet et nanomateriale, der skifter farve, når det interagerer med ioner og andre små molekyler under en kemisk reaktion.

Emnet for en artikel i ACS Nano (American Chemical Society, 2016), deres opdagelse gør det muligt for forskere at overvåge reaktioner kvalitativt med det blotte øje og kvantitativt med simpel instrumentering.

"I mange tilfælde, en kemisk reaktion mellem molekyler sker i en opløsning, der er farveløs og gennemsigtig eller ligner en mælkeagtig suspension, " siger Mathew Maye, lektor i kemi og forsøgets teamleder. "Den eneste måde at vide, om en reaktion er opstået eller ej, er at udføre omfattende analyse efter en multi-trins oprensning."

I et forsøg på at finde ud af hvorfor og hvor hurtigt en reaktion opstår (hvis overhovedet), gruppen har designet en nanopartikel, der reagerer med biprodukter fra reaktionen. "Når reaktionerne opstår, nanopartiklerne fluorescerer i en anden farve, giver os mulighed for at måle kinetikken med øjet, i stedet for med et million-dollar-spektrometer, " siger Maye.

Centralt i gruppens arbejde er en spirende klasse af nanomaterialer kaldet perovskites. En perovskit er en særlig klasse af krystal, består typisk af metalioner og oxygen. Gruppens perovskitter er sammensat af metalioner og et halogenid.

På nanoskala, perovskitter er foto-luminescerende, betyder, at de udsender lys, når de "ophidset" af en laser eller lampe. At de farver, de udsender, er bestemt, delvis, ved deres ionkoncentrationer gør perovskiter unikke blandt nanomaterialer.

Det gør dem også modne til påføring. Forskergrupper i industrien og den akademiske verden ser potentiale for perovskitter i solceller, lysemitterende dioder, lasere og fotodetektorer.

Tennyson Doane, en post-doc forsker i gruppen, er artiklens korresponderende forfatter med Maye. "Vi vidste om potentialet af disse materialer i energiforskning, " siger Doane. "Vi er også interesserede i energi, og havde denne skøre idé om at prøve at bruge ionkoncentrationsforholdet for perovskitter til at detektere ioner i opløsning, og så måske overvåge den kemiske reaktion, hvilket er meget svært at gøre. Vi anede ikke om det ville virke eller ej så vi besluttede bare at gå efter det."

Gruppen startede med at arbejde med et meget simpelt system, der involverede organiske reaktioner af molekyler kaldet organohalider. Når disse molekyler reagerer, danner ofte carbon-carbon-dobbeltbindinger i det, der er kendt som en eliminationsreaktion, halogenidet frigives. (Halogenidet er et brom, klor eller jodion.) Typisk, halogenidet er et uvæsentligt biprodukt af reaktionen, indtil nu.

"Vores teknologi giver os mulighed for nøjagtigt at detektere halogenidfrigivelsen, " siger Kevin Cruz '18, hovedfag i kemi og medforfatter til artiklen. "Når reaktionen starter, perovskitten fluorescerer lysende rødt. Når halogenidet frigives, eller udveksles i den kemiske reaktion, vores partikel absorberer det, og fluorescensfarven ændres proportionalt med halogenidkoncentrationen - fra rød til orange til gul til grøn. Når farven er grøn, reaktionen er forbi."

Forklarer Doane:"Dertil kommer det faktum, at perovskitkoncentrationen er meget lav, du skal blot tilføje en lille mængde til reaktionen til observation. Vi har været i stand til at kalibrere systemet meget præcist, og ud fra det kan måle kemisk kinetik på en ny 'kolorimetrisk' måde."

Maye giver intet andet end ros til Doane og Cruz, anfører, at det, de har opnået på kort tid og på et lille budget, er "fantastisk".

"Ingen, lige nu, overvejer at overvåge en kemisk reaktion på denne måde, Maye tilføjer. "Vores team er i stand til at måle meget præcis kemisk kinetik ved at overvåge farveændringen med intet andet end en ultraviolet pære eller et billigt fluorescensspektrometer."

Ud over Doane, Cruz og Maye, artiklen er skrevet af Kayla Ryan G'15, Ph.D. studerende Laxmikant Pathade og Huidong Zang og Mircea Cotlet ved Center for Functional Nanomaterials ved Brookhaven National Laboratory, som hver foretog vigtige målinger i undersøgelsen.

Koncernens teknologi er patentanmeldt på universitetet. Maye siger, at de tester tilgangens anvendelighed på et bredt bibliotek af kemiske reaktioner og dens effektivitet til at måle lave koncentrationer af ioner og reaktive molekyler.

"Hvem ved, måske i fremtiden, hver kemiker vil bruge en Syracuse-baseret perovskit til at overvåge deres reaktioner, " tilføjer han.