För första gången, forskare har lyckats se tidigare otillgängliga detaljer om vissa kemiska processer. De har visat att det finns betydande diskreta steg i dessa processer som bygger på befintlig kunskap om kemisk syntes. Dessa detaljer kan hjälpa till i utvecklingen av metoder för att syntetisera kemikalier med större kontroll och precision än någonsin tidigare. Metoder som dessa kan vara användbara inom materialvetenskap och läkemedelsutveckling.

"Sedan 2007 har fysiker har förverkligat en dröm som är över 200 år gammal – förmågan att se en enskild atom, " sa projektprofessor Eiichi Nakamura. "Men det slutade inte där. Vår forskargrupp har nått bortom denna dröm för att skapa videor av molekyler för att se kemiska reaktioner i oöverträffad detalj."

Nakamuras team från Tokyos avdelning för kemi försöker behärska kontroll av olika kemiska processer som ansvarar för materialsyntes. Dock, kemisk syntes är ett komplicerat studieområde.

"Konventionella analytiska metoder som spektroskopi och kristallografi ger oss användbar information om resultatet av processer, men bara tips om vad som händer under dem, " förklarade Koji Harano, projekt docent i Nakamura -gruppen. "Till exempel, Vi är intresserade av metall-organiska ramar (MOF) -kristaller. De flesta studier tittar på tillväxten av dessa men missar det tidiga stadiet av kärnbildning, eftersom det är svårt att observera."

De övergående stadierna av komplexa kemiska reaktioner är svåra att studera eftersom det finns flera mellanliggande processer som uppstår mellan början och slutet av de flesta reaktionerna. I princip, de enskilda stadierna kunde ses, men i verkligheten, det var omöjligt att isolera produkterna i varje steg och att se hur dessa förändrades med tiden. Nakamura, Harano och teamet tillbringade över 10 år på detta problem, och har utvecklat en metod som kallas molekylär elektronmikroskopi.

"Det var ett problem av två delar, "sa Harano." I stor skala, det fanns en teknisk utmaning att kombinera ett unikt högupplöst elektronmikroskop med en snabb och känslig bildsensor för kontinuerlig videobildning; i liten skala, vi var tvungna att hitta ett sätt att fånga de intressanta molekylerna och hålla dem på plats så att kameran kunde fånga händelserna."

För att isolera och säkra särskilda molekyler, laget använde ett speciellt modifierat kolnanorör. Detta skulle fånga en passerande molekyl och hålla den på plats, men avgörande, skulle inte störa reaktionerna hos den molekylen. Den här vägen, varje steg i reaktionen skulle äga rum på spetsen av nanoröret, som i sin tur hölls på plats i elektronmikroskopets brännpunkt. Den resulterande informationen kan göras till realtidsvideor av reaktionerna.

"Det som förvånade oss väldigt mycket i början var att vår plan faktiskt fungerade. Det var en komplex utmaning, men vi visualiserade först dessa molekylära videor 2013, sade Harano. Mellan då och nu, vi arbetade för att göra konceptet till ett användbart verktyg. Vår första framgång var att visualisera och beskriva en kubformad molekyl, vilket är en avgörande mellanform som uppstår under MOF -syntes. Det tog ett år att övertyga våra recensenter att det vi fann är sant."

Detta är bara det första steget mot förmågan att få kontroll över kemisk syntes på ett exakt och kontrollerat sätt - en term som forskarna kallar "rationell syntes". Det är viktigt att observera detaljer om reaktioner när de fortskrider så att de effektivt kan omvändas. Drömmen för 200 år sedan var att se en atom; drömmen nu är att kontrollera molekyler för att skapa saker som syntetiska mineraler för konstruktion, eller till och med nya läkemedel för att rädda liv.