Forskare baserade vid University of Manchester har demonstrerat en ny metod för att avbilda levande kemiska reaktioner med atomär upplösning med hjälp av nanoskala provrör skapade med tvådimensionella (2D) material.

Möjligheten att observera lösningsbaserade kemiska reaktioner med subnanometerupplösning i realtid har varit mycket eftertraktad sedan elektronmikroskopets uppfinning för 90 år sedan.

Att avbilda dynamiken i en reaktion kan ge mekanistiska insikter och vägvisarstrategier för att skräddarsy egenskaperna hos de resulterande materialen. Ett transmissionselektronmikroskop (TEM) är ett av få instrument som kan lösa upp enskilda atomer, även om det konventionellt kräver helt torra prover avbildade i en vakuummiljö, utesluter all våtkemisk syntes.

Baserat på tidigare arbete med att utveckla grafen flytande celler som tillåter TEM-avbildning av vätskefas nanostrukturer, ett team av forskare baserade vid University of Manchesters National Graphene Institute, samarbetar med forskare vid Leibniz University Hannover, har visat att två lösningar kan blandas inuti mikroskopet och avbildas i realtid.

Den nya forskningen, publiceras idag i Avancerade material beskriver en ny bildplattform som har använts för att undersöka tillväxten av kalciumkarbonat. Detta material är nyckeln till många naturliga och syntetiska kemiska processer. Till exempel, kalciumkarbonat är den huvudsakliga komponenten i skalen hos många marina organismer och dess bildningsprocess påverkas av ökande havsförsurning. Kalciumkarbonatfällning är också viktigt för att förstå betongnedbrytning och materialet är en allmänt förekommande tillsats för många produkter från papper, plast, gummin, målar, och bläck till läkemedel, kosmetika, byggmaterial, och animaliska livsmedel. Ändå, trots denna utbredda användning, kristallisationsmekanismen för kalciumkarbonat diskuteras brett.

I detta arbete tillhandahåller författarna de viktigaste nya experimentella bevisen för att stödja en teoretiskt förutsagd komplex kristalliseringsväg. Laget, ledd av professor Sarah Haigh och Dr Roman Gorbatjov, designade en stapel av olika tvådimensionella material som innehöll nanoskala vätskelösningsfack bildade i mikrobrunnar etsade i hexagonal bornitriddistans. Dessa mikrobrunnar separerades av ett atomärt tunt membran och förseglades med grafen som fungerade som ett "fönster" för att möjliggöra avbildning med elektronstrålen.

De två fickorna med lösning blandades sedan i mikroskopet genom att fokusera elektronstrålen för att lokalt spräcka separationsmembranet. Detta fick de två förladdade kemiska reagensen att blandas in situ och kristallisationsprocessen kunde övervakas från början till slut.

Huvudförfattaren Dr. Daniel Kelly förklarade:"En av nyckelfunktionerna i vår blandningscelldesign var användningen av elektronstrålen för att både avbilda och punktera cellerna. Till skillnad från tidigare försök, detta gjorde det möjligt för oss att avbilda reaktionen från första ögonblicket som lösningarna kom i kontakt."

Tidslinjen för reaktionen fångades med hjälp av videor och avancerad bildbehandlingsteknik för att mäta utvecklingen av kalciumkarbonat. Den unika kombinationen av hög rumslig upplösning och kontroll över blandningstiden, såväl som in situ elementaranalys, lät teamet observera omvandlingen av flytande nanodroppar till amorfa prekursorer, och slutligen till kristallina partiklar. Resultaten visar den första visuella bekräftelsen på vätske-vätskefasseparation, en teori som har diskuterats hett bland oorganiska kemister under det senaste decenniet.

Om den framtida riktningen för denna nya bildplattform, författaren Dr Nick Clark sa:"Hittills har vi fokuserat främst på att karakterisera bildningen av kalciumkarbonat, Vi är dock optimistiska att den här typen av experiment skulle kunna utvidgas till att studera många andra komplexa blandningsreaktioner."