Нано-камера, сделанная с использованием молекулярного клея, позволяет в реальном времени отслеживать химические реакции

Устройство, созданное командой из Кембриджского университета, объединяет крошечные полупроводниковые нанокристаллы, называемые квантовыми точками, и наночастицы золота, используя молекулярный клей кукурбитурил (CB). При добавлении в воду с исследуемой молекулой компоненты за секунды самостоятельно собираются в стабильный, мощный инструмент, который позволяет отслеживать химические реакции в режиме реального времени.

Камера собирает свет внутри полупроводников, вызывая процессы переноса электронов, подобные тем, которые происходят при фотосинтезе, которые можно контролировать с помощью встроенных датчиков наночастиц золота и спектроскопических методов. Они смогли использовать камеру для наблюдения за химическими веществами, которые ранее предполагались, но не наблюдались напрямую.
Платформа может быть использована для изучения широкого спектра молекул для различных потенциальных приложений, таких как улучшение фотокатализа и фотоэлектрической энергии для возобновляемых источников энергии.

Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
Природа контролирует сборки сложных структур на молекулярном уровне посредством самоограниченных процессов. Однако имитация этих процессов в лаборатории обычно занимает много времени, дорого и требует сложных процедур.
«Чтобы разработать новые материалы с превосходными свойствами, мы часто комбинируем различные химические вещества вместе, чтобы получить гибридный материал, обладающий желаемыми свойствами», – сказал профессор Орен Шерман из Кембриджского химического факультета Юсуфа Хамиеда, который руководил исследованием. «Но создать эти гибридные наноструктуры сложно, и вы часто получаете неконтролируемый рост или нестабильные материалы.»

В новом методе, разработанном Шерманом и его коллегами из Кембриджской лаборатории Кавендиша и Университетского колледжа Лондона, используется кукурбитурил – молекулярный клей, который сильно взаимодействует как с полупроводниковыми квантовыми точками, так и с наночастицами золота. Исследователи использовали небольшие полупроводниковые нанокристаллы для управления сборкой более крупных наночастиц с помощью процесса, который они придумали для самоограничивающейся агрегации на границе раздела фаз. В результате образуются проницаемые и стабильные гибридные материалы, которые взаимодействуют со светом.

Камера использовалась для наблюдения фотокатализа и отслеживания переноса электронов, индуцированного светом.

«Мы были удивлены, насколько мощным является этот новый инструмент, учитывая простоту его сборки», – сказал первый автор, доктор Камил Соколовски, также из химического факультета.

Чтобы создать свою нанокамеру, команда добавила отдельные компоненты вместе с молекулой, которую они хотели наблюдать, в воду комнатной температуры. Ранее, когда наночастицы золота смешивались с молекулярным клеем в отсутствие квантовых точек, компоненты подвергались неограниченной агрегации и выпадали из раствора.

Однако, согласно стратегии, разработанной исследователями, квантовые точки опосредуют сборку этих наноструктур, так что гибриды полупроводник-металл контролируют и ограничивают свой собственный размер и форму. Кроме того, эти конструкции остаются стабильными в течение нескольких недель.
«Это самоограничивающееся свойство было неожиданным, это не было тем, чего мы ожидали увидеть», – сказала соавтор доктор Джейд МакКьюн, также из Департамента химии. «Мы обнаружили, что агрегацию одного компонента наночастиц можно контролировать путем добавления другого компонента наночастиц.»
Когда исследователи смешали компоненты вместе, команда использовала спектроскопию для наблюдения за химическими реакциями в режиме реального времени.

С помощью камеры они смогли наблюдать образование радикалов – молекулы с неспаренным электроном – и продуктов их сборки, таких как сигма-димерные виологены, где два радикала образуют обратимую углерод-углеродную связь. Последний вид предполагался, но никогда не наблюдался.
«Люди потратили всю свою карьеру на то, чтобы соединить части материи контролируемым образом», – сказал Шерман, который также является директором лаборатории Мелвилла. «Эта платформа откроет доступ к широкому спектру процессов, включая множество материалов и химикатов, которые важны для устойчивых технологий.

Теперь можно исследовать весь потенциал полупроводниковых и плазмонных нанокристаллов, что дает возможность одновременно инициировать и наблюдать фотохимические реакции.»
«Эта платформа представляет собой действительно большой набор инструментов, учитывая количество металлических и полупроводниковых строительных блоков, которые теперь можно соединить вместе с помощью этой химии. Она открывает множество новых возможностей для визуализации химических реакций и зондирования посредством создания снимков контролируемых химических систем», – сказал он.

Соколовский. «Простота настройки означает, что исследователям больше не нужны сложные и дорогие методы для получения тех же результатов.»
Исследователи из лаборатории Шермана в настоящее время работают над дальнейшей разработкой этих гибридов в направлении искусственных фотосинтетических систем и (фото) катализа, где процессы переноса электронов можно наблюдать непосредственно в режиме реального времени.

Команда также изучает механизмы образования углерод-углеродных связей, а также интерфейсы электродов для аккумуляторных батарей.
Исследование было проведено в сотрудничестве с профессором Джереми Баумбергом из Кембриджской лаборатории Кавендиша и доктором Эдиной Роста из Университетского колледжа Лондона.

Он частично финансировался Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC).