Это исследование, которое показывает, что химические реакции происходят в реальном времени на одной стомиллионной доли сантиметра, может произвести революцию в изучении и разработке новых материалов. Это могло бы помочь ответить на некоторые из самых фундаментальных и сложных вопросов химической науки; например, как молекулы реагируют друг с другом на атомистическом уровне; что движет формированием одного продукта вместо другого; а также помочь в открытии новых химических реакций.Многонациональную команду экспертов из Великобритании, Германии и России возглавил Андрей Хлобыстов, профессор наноматериалов и директор Исследовательского центра наномасштабов и микромасштабов Ноттингемского университета.
Исследование: «Съемка в стоп-кадре и обнаружение реакций на уровне отдельных молекул с помощью просвечивающей электронной микроскопии» было опубликовано в ACS Nano, ведущем журнале по нанонауке и нанотехнологиям, и было выбрано редактором ACS из-за его потенциала для широкого общественного интереса. .Профессор Хлобыстов сказал: «Это значительный научный прорыв. Мы изменили способ использования ПЭМ — от получения неподвижных изображений до инструмента для видеосъемки и стимуляции химических реакций. этого уровня и наблюдайте за судьбой молекул по мере протекания химических реакций — от исходных молекул до самого продукта ».Исследование было проведено специалистами в области синтетической и теоретической химии, материалов и электронной микроскопии и основано на концепции профессора Хлобыстова об углеродных нанопробирках (самые маленькие пробирки в мире, Книга рекордов Гиннеса 2005), где нанотрубка выступает в качестве контейнера для молекулы.
Его новаторская работа по углеродным наноконтейнерам и нанореакторам уже ведет к новым способам управления сборкой молекул и изучения химических реакций.Британское исследование проводилось в сотрудничестве с Еленой Бесли, профессором теоретической вычислительной химии, и ее командой исследователей, работающих в группе вычислительной нанонауки в Ноттингемском университете.Профессор Бэсли сказал: «Углубляясь в мельчайшие химические строительные блоки материи, наше исследование использует« эффект наблюдателя »и устанавливает совершенно новую методологию изучения химических реакций.
Мы демонстрируем, что электронный луч, одновременно действующий как зонд для визуализации и источник энергии для управления химическими превращениями, предлагает новый инструмент для изучения химических реакций отдельных молекул с атомным разрешением, что жизненно важно для открытия новых механизмов реакции и более эффективного синтеза в будущем ».Синтез и подготовка новых материаловЕсть еще много проблем в синтезе и приготовлении материалов, и нам необходимо понять процессы, которые их создают, как именно реагируют молекулы, как разрываются и образуются химические связи.Профессор Хлобыстов сказал: «Мы назвали наш метод ChemTEM, потому что это наиболее прямой способ изучения химических реакций: электронный луч доставляет четко определенное количество энергии непосредственно атомам внутри молекулы и, таким образом, запускает химическую реакцию, непрерывно визуализируя молекулярные превращения, кадр за кадром в прямом пространстве и в реальном времени.Мы можем открывать новые химические реакции и создавать индивидуальные химические структуры, играя с условиями ПЭМ — например, с энергией электронного луча.
«Теперь мы можем наблюдать, как отдельные молекулы соединяются вместе, образуя наноленты из графена и полимеров. Затем мы можем направить реакцию в том направлении, в котором мы хотим сформировать нужный нам материал, и наблюдать, как это происходит в режиме реального времени. Например, мы уже изучают следующее поколение сложных двумерных молекулярных материалов для электронных приложений помимо графена ».
Принятие «эффекта наблюдателя»В микроскопии прилагаются большие усилия для уменьшения воздействия света или электронного луча — так называемого эффекта наблюдателя — на образец, чтобы изображения представляли собой действительно нетронутые структуры, на которые не влияет процесс измерения.Исследовательская группа использовала «эффект наблюдателя», чтобы превратить ТЕМ в инструмент визуализации и источник энергии для запуска химических реакций.
Электронный пучок проникает через атомарно тонкие стенки углеродных нанотрубок и позволяет визуализировать реакции с временным разрешением на одноатомном уровне. При активации электронным лучом, энергия и мощность дозы которого могут быть точно установлены, происходят химические превращения молекул.
NMRCБританские исследования проводились в современном Центре исследований наномасштабов и микромасштабов (NMRC). Видение центра — стать ведущим в мире центром для характеристики и анализа молекулярных материалов в нано- и микромасштабе. Благодаря уникальному набору из 20 основных инструментов центр укомплектован специалистами с медицинским, научным и инженерным образованием.
В настоящее время они работают над широким спектром исследований — от раковых клеток и медицинских имплантатов, напечатанных на 3D-принтере, до полупроводников и солнечных элементов.