Nanokamera fremstillet ved hjælp af molekylær lim tillader overvågning af kemiske reaktioner i realtid

Forskere har lavet et lille kamera, holdes sammen med 'molekylær lim', der giver dem mulighed for at observere kemiske reaktioner i realtid.

Enheden, lavet af et team fra University of Cambridge, kombinerer bittesmå halvledernanokrystaller kaldet kvanteprikker og guldnanopartikler ved hjælp af molekylær lim kaldet cucurbituril (CB). Når det tilsættes vand med det molekyle, der skal undersøges, komponenterne samles selv på få sekunder til en stald, kraftfuldt værktøj, der tillader overvågning af kemiske reaktioner i realtid.

Kameraet høster lys i halvlederne, inducering af elektronoverførselsprocesser som dem, der forekommer i fotosyntese, som kan overvåges ved hjælp af indbyggede guld nanopartikelsensorer og spektroskopiske teknikker. De var i stand til at bruge kameraet til at observere kemiske arter, som tidligere var blevet teoretiseret, men ikke direkte observeret.

Platformen kan bruges til at studere en bred vifte af molekyler til en række potentielle anvendelser, såsom forbedring af fotokatalyse og fotovoltaik til vedvarende energi. Resultaterne er rapporteret i journalen Natur nanoteknologi .

Naturen kontrollerer samlingerne af komplekse strukturer på molekylær skala gennem selvbegrænsende processer. Imidlertid, at efterligne disse processer i laboratoriet er normalt tidskrævende, dyre og afhængige af komplekse procedurer.

"For at udvikle nye materialer med overlegne egenskaber, vi kombinerer ofte forskellige kemiske arter sammen for at komme frem til et hybridmateriale, der har de egenskaber, vi ønsker, " sagde professor Oren Scherman fra Cambridges Yusuf Hamied Institut for Kemi, der ledede forskningen. "Men at lave disse hybride nanostrukturer er svært, og man ender ofte med ukontrolleret vækst eller materialer, der er ustabile."

Den nye metode, som Scherman og hans kolleger fra Cambridges Cavendish Laboratory og University College London udviklede, bruger cucurbituril - en molekylær lim, som interagerer stærkt med både halvlederkvanteprikker og guldnanopartikler. Forskerne brugte små halvleder-nanokrystaller til at styre samlingen af ​​større nanopartikler gennem en proces, som de opfandt selvbegrænsende aggregering af grænseflader. Processen fører til permeable og stabile hybridmaterialer, der interagerer med lys. Kameraet blev brugt til at observere fotokatalyse og spore lysinduceret elektronoverførsel.

"Vi var overraskede over, hvor stærkt dette nye værktøj er, i betragtning af hvor ligetil det er at samle, " sagde førsteforfatter Dr. Kamil Sokołowski, også fra Kemisk Institut.

For at lave deres nanokamera, holdet tilføjede de individuelle komponenter, sammen med det molekyle, de ønskede at observere, til vand ved stuetemperatur. Tidligere, når guld nanopartikler blev blandet med den molekylære lim i fravær af kvanteprikker, komponenterne gennemgik ubegrænset aggregering og faldt ud af opløsning. Imidlertid, med den strategi, som forskerne har udviklet, kvanteprikker formidler samlingen af ​​disse nanostrukturer, så halvleder-metal-hybriderne kontrollerer og begrænser deres egen størrelse og form. Ud over, disse strukturer forbliver stabile i uger.

"Denne selvbegrænsende ejendom var overraskende, det var ikke noget, vi forventede at se, " sagde medforfatter Dr. Jade McCune, også fra Kemisk Institut. "Vi fandt ud af, at aggregeringen af ​​en nanopartikelkomponent kunne kontrolleres gennem tilføjelse af en anden nanopartikelkomponent."

Da forskerne blandede komponenterne sammen, holdet brugte spektroskopi til at observere kemiske reaktioner i realtid. Brug af kameraet, de var i stand til at observere dannelsen af ​​radikale arter - et molekyle med en uparret elektron - og produkter af deres samling såsom sigma dimere viologen arter, hvor to radikaler danner en reversibel carbon-carbon-binding. Sidstnævnte art var blevet teoretiseret, men aldrig observeret.

"Folk har brugt hele deres karriere på at få stykker af stof til at samle sig på en kontrolleret måde, " sagde Scherman, som også er direktør for Melville Laboratory. "Denne platform vil låse op for en bred vifte af processer, herunder mange materialer og kemi, der er vigtige for bæredygtige teknologier. Det fulde potentiale af halvleder- og plasmoniske nanokrystaller kan nu udforskes, giver mulighed for samtidig at inducere og observere fotokemiske reaktioner."

"Denne platform er en virkelig stor værktøjskasse i betragtning af antallet af metal- og halvlederbyggeblokke, der nu kan kobles sammen ved hjælp af denne kemi – den åbner op for en masse nye muligheder for billeddannelse af kemiske reaktioner og sansning ved at tage snapshots af overvågede kemiske systemer, " sagde Sokołowski. "Simpelheden af ​​opsætningen betyder, at forskere ikke længere har brug for komplekse, dyre metoder til at få de samme resultater."

Forskere fra Scherman-laboratoriet arbejder i øjeblikket på at videreudvikle disse hybrider mod kunstige fotosyntetiske systemer og (foto)katalyse, hvor elektronoverførselsprocesser kan observeres direkte i realtid. Holdet ser også på mekanismer for dannelse af kulstof-kulstofbindinger samt elektrodegrænseflader til batteriapplikationer.