Nano ‘camera’ gemaakt met moleculaire lijm maakt realtime monitoring van chemische reacties mogelijk

Onderzoekers hebben een kleine camera gemaakt, bij elkaar gehouden met ‘moleculaire lijm’ waarmee ze chemische reacties in realtime kunnen observeren.

Het apparaat, gemaakt door een team van de Universiteit van Cambridge, combineert kleine halfgeleider nanokristallen genaamd quantum dots en gouden nanodeeltjes met behulp van moleculaire lijm genaamd cucurbituril (CB). Wanneer ze worden toegevoegd aan water met het te bestuderen molecuul, assembleren de componenten zichzelf in seconden tot een stabiel, krachtig hulpmiddel dat de realtime monitoring van chemische reacties mogelijk maakt.

De camera verzamelt licht in de halfgeleiders, waardoor elektronenoverdrachtsprocessen worden geïnduceerd zoals die plaatsvinden bij fotosynthese, die kunnen worden gevolgd met behulp van ingebouwde gouden nanodeeltjessensoren en spectroscopische technieken. Ze waren in staat om de camera te gebruiken om chemische soorten te observeren die eerder waren getheoretiseerd maar niet direct waargenomen.

Het platform zou kunnen worden gebruikt om een ​​breed scala aan moleculen te bestuderen voor een verscheidenheid aan potentiële toepassingen, zoals de verbetering van fotokatalyse en fotovoltaïsche energie voor hernieuwbare energie. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

De natuur controleert de samenstellingen van complexe structuren op moleculaire schaal door middel van zelfbeperkende processen. Het nabootsen van deze processen in het laboratorium is echter meestal tijdrovend, duur en afhankelijk van complexe procedures.

“Om nieuwe materialen met superieure eigenschappen te ontwikkelen, combineren we vaak verschillende chemische soorten om tot een hybride materiaal te komen dat de eigenschappen heeft die we willen”, zegt professor Oren Scherman van het Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, die het onderzoek leidde. “Maar het maken van deze hybride nanostructuren is moeilijk, en je eindigt vaak met ongecontroleerde groei of materialen die instabiel zijn.”

De nieuwe methode die Scherman en zijn collega’s van Cambridge’s Cavendish Laboratory en University College London ontwikkelden, maakt gebruik van cucurbituril – een moleculaire lijm die sterk interageert met zowel halfgeleider kwantumstippen als gouden nanodeeltjes. De onderzoekers gebruikten kleine halfgeleider nanokristallen om de assemblage van grotere nanodeeltjes te regelen via een proces dat ze zelfbeperkende aggregatie aan het grensvlak bedachten. Het proces leidt tot doorlatende en stabiele hybride materialen die interageren met licht. De camera werd gebruikt om fotokatalyse te observeren en door licht geïnduceerde elektronenoverdracht te volgen.

“We waren verrast hoe krachtig deze nieuwe tool is, gezien hoe eenvoudig het is om te assembleren”, zegt eerste auteur Dr. Kamil Sokołowski, ook van het Department of Chemistry.

Om hun nanocamera te maken, voegde het team de afzonderlijke componenten, samen met het molecuul dat ze wilden observeren, toe aan water op kamertemperatuur. Voorheen, toen gouden nanodeeltjes werden gemengd met de moleculaire lijm in afwezigheid van kwantumstippen, ondergingen de componenten onbeperkte aggregatie en vielen ze uit de oplossing. Met de door de onderzoekers ontwikkelde strategie bemiddelen kwantumstippen echter de assemblage van deze nanostructuren, zodat de halfgeleider-metaalhybriden hun eigen grootte en vorm beheersen en beperken. Bovendien blijven deze structuren wekenlang stabiel.

“Deze zelfbeperkende eigenschap was verrassend, het was niet iets dat we verwachtten te zien”, zei co-auteur Dr. Jade McCune, ook van het Department of Chemistry. “We ontdekten dat de aggregatie van een nanodeeltjescomponent kon worden gecontroleerd door de toevoeging van een andere nanodeeltjescomponent.”

Toen de onderzoekers de componenten met elkaar mengden, gebruikte het team spectroscopie om chemische reacties in realtime te observeren. Met behulp van de camera konden ze de vorming van radicale soorten observeren – een molecuul met een ongepaard elektron – en producten van hun assemblage, zoals sigma dimere viologen-soorten, waarbij twee radicalen een omkeerbare koolstof-koolstofbinding vormen. De laatste soort was getheoretiseerd, maar nooit waargenomen.

“Mensen zijn hun hele loopbaan bezig geweest om stukjes materie op een gecontroleerde manier samen te laten komen”, zegt Scherman, tevens directeur van het Melville Laboratory. “Dit platform zal een breed scala aan processen ontsluiten, waaronder veel materialen en chemicaliën die belangrijk zijn voor duurzame technologieën. Het volledige potentieel van halfgeleider- en plasmonische nanokristallen kan nu worden onderzocht, wat de mogelijkheid biedt om gelijktijdig fotochemische reacties te induceren en te observeren.”

“Dit platform is echt een grote gereedschapskist gezien het aantal metaal- en halfgeleiderbouwstenen dat nu aan elkaar kan worden gekoppeld met behulp van deze chemie. Sokołowski. “De eenvoud van de opzet betekent dat onderzoekers geen complexe, dure methoden meer nodig hebben om dezelfde resultaten te krijgen.”

Onderzoekers van het Scherman-lab werken momenteel aan de verdere ontwikkeling van deze hybriden naar kunstmatige fotosynthetische systemen en (foto)katalyse waarbij elektronenoverdrachtsprocessen direct in realtime kunnen worden waargenomen. Het team kijkt ook naar mechanismen voor de vorming van koolstof-koolstofbindingen en naar elektrode-interfaces voor batterijtoepassingen.