Kemister vid Syracuse University har kommit på ett innovativt nytt sätt att visualisera och övervaka kemiska reaktioner i realtid.

Medlemmar av Maye Research Group på kemiska institutionen har designat ett nanomaterial som ändrar färg när det interagerar med joner och andra små molekyler under en kemisk reaktion.

Ämnet för en artikel i ACS Nano (American Chemical Society, 2016), deras upptäckt gör det möjligt för forskare att övervaka reaktioner kvalitativt med blotta ögat och kvantitativt med enkel instrumentering.

"I många fall, en kemisk reaktion mellan molekyler sker i en lösning som är färglös och genomskinlig eller ser ut som en mjölkaktig suspension, " säger Mathew Maye, docent i kemi och experimentets teamledare. "Det enda sättet att veta om en reaktion har inträffat eller inte är att utföra omfattande analys efter en rening i flera steg."

I ett försök att ta reda på varför och hur snabbt en reaktion inträffar (om alls), gruppen har utformat en nanopartikel som reagerar med biprodukter av reaktionen. "När reaktionerna inträffar, nanopartikeln fluorescerar i en annan färg, tillåter oss att mäta kinetik för ögat, istället för med en miljon dollar spektrometer, " säger Maye.

Centralt i gruppens arbete är en framväxande klass av nanomaterial som kallas perovskiter. En perovskite är en speciell klass av kristaller, består vanligtvis av metalljoner och syre. Gruppens perovskiter består av metalljoner och en halogenid.

På nanoskala, perovskiter är fotoluminiscerande, vilket innebär att de avger ljus när de "exciteras" av en laser eller lampa. Att färgerna de avger bestäms, till viss del, genom sina jonkoncentrationer gör perovskiter unika bland nanomaterial.

Det gör dem också mogna för applicering. Forskargrupper inom industri och akademi ser potential för perovskiter i solceller, ljusemitterande dioder, lasrar och fotodetektorer.

Tennyson Doane, en postdoktor i gruppen, är artikelns motsvarande författare med Maye. "Vi visste om potentialen hos dessa material inom energiforskning, " säger Doane. "Vi är också intresserade av energi, och hade den här galna idén att försöka använda jonkoncentrationsförhållandena för perovskiter för att detektera joner i lösning, och sedan kanske övervaka den kemiska reaktionen, vilket är väldigt svårt att göra. Vi hade ingen aning om det skulle fungera eller inte, så vi bestämde oss bara för det. "

Gruppen började med att arbeta med ett mycket enkelt system som involverade organiska reaktioner av molekyler som kallas organohalider. När dessa molekyler reagerar, bildar ofta kol-kol dubbelbindningar i det som kallas en eliminationsreaktion, halogeniden frigörs. (Halogeniden är en brom, klor eller jodjon.) Typiskt halogeniden är en oviktig biprodukt av reaktionen, tills nu.

"Vår teknik tillåter oss att noggrant detektera halogenidfrisättningen, "säger Kevin Cruz '18, huvudämne i kemi och medförfattare till artikeln. "När reaktionen börjar, perovskiten lyser röd. När halogeniden frigörs, eller utbyts i den kemiska reaktionen, vår partikel absorberar den, och fluorescensfärgen ändras proportionellt mot halogenidkoncentrationen - från rött till orange till gult till grönt. När färgen är grön, reaktionen är över. "

Doane förklarar:"Utöver det kommer det faktum att perovskitkoncentrationen är mycket låg, du behöver bara lägga till en liten mängd till reaktionen för observation. Vi har kunnat kalibrera systemet mycket exakt, och utifrån det kan mäta kemisk kinetik på ett nytt "kolorimetriskt" sätt."

Maye ger ingenting annat än beröm för Doane och Cruz, med att det de har åstadkommit på kort tid och med en liten budget är "fantastiskt".

"Ingen, just nu, funderar på att övervaka en kemisk reaktion på detta sätt, Maye tillägger. "Vårt team kan mäta mycket exakt kemisk kinetik genom att övervaka färgförändringen med inget annat än en ultraviolett glödlampa eller en billig fluorescensspektrometer."

Förutom Doane, Cruz och Maye, artikeln skrevs tillsammans av Kayla Ryan G'15, Ph.D. student Laxmikant Pathade och Huidong Zang och Mircea Cotlet vid Center for Functional Nanomaterials på Brookhaven National Laboratory, var och en gjorde viktiga mätningar i studien.

Koncernens teknologi är patentsökt vid universitetet. Maye säger att de testar metodens tillämplighet på ett brett bibliotek av kemiska reaktioner och dess effektivitet vid mätning av låga koncentrationer av joner och reaktiva molekyler.

"Vem vet, kanske i framtiden, varje kemist kommer att använda en Syracuse-baserad perovskite för att övervaka sina reaktioner, " han lägger till.