Kemiske reaktioner filmet på enkeltmolekylniveau

Det er lykkedes forskere at 'filme' intermolekylære kemiske reaktioner-ved hjælp af elektronstrålen i et transmissionselektronmikroskop (TEM) som et stop-frame billedværktøj. De har også opdaget, at elektronstrålen samtidigt kan indstilles for at stimulere specifikke kemiske reaktioner ved at bruge den som energikilde samt et billeddannelsesværktøj.

Denne forskning - som viser kemiske reaktioner, der sker i realtid på en hundred -milliontedel af en centimeter - har potentiale til at revolutionere undersøgelsen og udviklingen af ​​nye materialer. Det kunne hjælpe med at besvare nogle af de mest grundlæggende og udfordrende spørgsmål inden for kemisk videnskab; såsom hvordan molekyler reagerer med hinanden på atomistisk niveau; hvad der driver dannelsen af ​​et produkt i stedet for et andet; samt hjælpe med at opdage helt nye kemiske reaktioner.

Det multinationale team af eksperter fra Storbritannien, Tyskland og Rusland, blev ledet af Andrei Khlobystov, professor i nanomaterialer og direktør for University of Nottingham's Nanoscale and Microscale Research Center. Undersøgelsen:'Stop-frame-optagelse og opdagelse af reaktioner på enkeltmolekylniveau ved transmissionselektronmikroskopi' er blevet offentliggjort i ACS Nano , et flagskibs nanovidenskabs- og nanoteknologitidsskrift og valgt som ACS Editor's Choice på grund af dets potentiale for bred offentlig interesse.

Professor Khlobystov sagde:"Dette er et betydeligt videnskabeligt gennembrud. Vi har transformeret den måde, vi bruger TEM - fra at tage stillbilleder til et værktøj til filmning og stimulering af kemiske reaktioner. Det er første gang, vi har kunnet se kemiske reaktioner på dette niveau og observer molekylernes skæbne, når de kemiske reaktioner finder sted - fra startmolekylerne helt igennem til produktet. "

Undersøgelsen blev udført af eksperter i syntetisk og teoretisk kemi, materialer og elektronmikroskopi og bygger på professor Khlobystovs koncept om carbon nano reagensglas (verdens mindste reagensglas, Guinness Book of World Records 2005), hvor nanorøret fungerer som en beholder til molekyler. Hans banebrydende arbejde med carbon nano-containere og nano-reaktorer fører allerede til nye måder at styre molekylær samling og studere kemiske reaktioner.

Den britiske forskning blev udført i samarbejde med Elena Besley, en professor i teoretisk computerkemi og hendes team af forskere, der arbejder i Computational Nanoscience Group ved University of Nottingham.

Professor Besley sagde:"Fordybelse i de mindste kemiske byggesten i stof, vores undersøgelse udnytter 'observatøreffekten' og etablerer en helt ny metode til undersøgelse af kemiske reaktioner. Vi demonstrerer, at elektronstrålen, fungerer samtidigt som en billeddannelsessonde og en energikilde til at drive kemiske transformationer, tilbyder et nyt værktøj til at studere de kemiske reaktioner af individuelle molekyler med atomopløsning, hvilket er afgørende for opdagelsen af ​​nye reaktionsmekanismer og mere effektiv fremtidig syntese. "

Syntese og forberedelse af nye materialer

Der er stadig mange problemer i syntese og forberedelse af materialer, og vi skal forstå de processer, der skaber dem, hvordan nøjagtigt molekyler reagerer, hvordan de kemiske bindinger brydes og dannes.

Professor Khlobystov sagde:"Vi kaldte vores metode ChemTEM, fordi det er den mest direkte måde at studere kemiske reaktioner på:Elektronstrålen leverer veldefinerede mængder energi direkte til atomerne i molekylet og udløser dermed en kemisk reaktion, mens der kontinuerligt afbildes de molekylære transformationer, ramme for ramme i direkte rum og realtid. Vi kan opdage nye kemiske reaktioner og lave skræddersyede kemiske strukturer ved at lege med betingelserne for TEM - for eksempel elektronstrålens energi.

"Vi kan nu se, hvordan individuelle molekyler går sammen om at danne nanoribbons af grafen og polymerer. Vi kan derefter styre reaktionen i den retning, vi ønsker at danne det materiale, vi ønsker, og se dette ske i realtid. For eksempel, vi ser allerede på den næste generation af komplekse todimensionale molekylære materialer til elektroniske applikationer ud over grafen. "

At omfavne 'observatøreffekten'

I mikroskopi investeres der en stor indsats i at reducere påvirkningen af ​​lys eller elektronstråle - den såkaldte observatøreffekt ' - på prøven for at sikre, at billederne repræsenterer virkelig uberørte strukturer, upåvirket af måleprocessen.

Forskergruppen har brugt 'observatøreffekten' til at gøre TEM til et billeddannelsesværktøj og en energikilde til at drive kemiske reaktioner.

Elektronstrålen trænger ind i atomatom tynde vægge i carbon nanorør og muliggør tidsopløst billeddannelse af reaktionerne på enkeltatom-niveau. Aktiveret af elektronstrålen, den energi og dosis, der kan indstilles præcist, kemiske transformationer af molekyler finder sted.