Forskare har lyckats "filma" intermolekylära kemiska reaktioner – med hjälp av elektronstrålen från ett transmissionselektronmikroskop (TEM) som ett stoppbildverktyg. De har också upptäckt att elektronstrålen kan ställas in samtidigt för att stimulera specifika kemiska reaktioner genom att använda den som en energikälla såväl som ett bildverktyg.

Denna forskning – som visar att kemiska reaktioner sker i realtid med hundra miljondels centimeter – har potential att revolutionera studier och utveckling av nya material. Det kan hjälpa till att besvara några av de mest grundläggande och utmanande frågorna inom kemivetenskapen; såsom hur molekyler reagerar med varandra på atomistisk nivå; vad som driver bildningen av en produkt istället för en annan; samt hjälpa till att upptäcka helt nya kemiska reaktioner.

Det multinationella teamet av experter från Storbritannien, Tyskland och Ryssland, leddes av Andrei Khlobystov, professor i nanomaterial och chef för University of Nottinghams forskningscenter i nanoskala och mikroskala. Studien:'Stop-frame-filmning och upptäckt av reaktioner på singelmolekylnivå genom transmissionselektronmikroskopi' har publicerats i ACS Nano , en flaggskeppstidskrift för nanovetenskap och nanoteknik och utvald som ACS Editor's Choice på grund av dess potential för brett allmänintresse.

Professor Khlobystov sa:"Detta är ett betydande vetenskapligt genombrott. Vi har förvandlat sättet vi använder TEM – från att ta stillbilder till ett verktyg för att filma och stimulera kemiska reaktioner. Det är första gången vi har kunnat se kemiska reaktioner på denna nivå och observera molekylernas öde när de kemiska reaktionerna äger rum - från startmolekylerna hela vägen fram till produkten."

Forskningen utfördes av experter inom syntetisk och teoretisk kemi, material och elektronmikroskopi och bygger på professor Khlobystovs koncept med kolnanoprovrör (Världens minsta provrör, Guinness världsrekordbok 2005), där nanoröret fungerar som en behållare för molekyler. Hans banbrytande arbete med kolnanobehållare och nano-reaktorer leder redan till nya sätt att styra molekylär sammansättning och studera kemiska reaktioner.

Forskningen i Storbritannien utfördes i samarbete med Elena Besley, en professor i teoretisk beräkningskemi och hennes team av forskare som arbetar i Computational Nanoscience Group vid University of Nottingham.

Professor Besley sa:"Grott ner i materiens minsta kemiska byggstenar, vår studie utnyttjar 'observatörseffekten' och etablerar en helt ny metodik för att studera kemiska reaktioner. Vi visar att elektronstrålen, samtidigt fungera som en bildsond och en energikälla för att driva kemiska omvandlingar, erbjuder ett nytt verktyg för att studera de kemiska reaktionerna hos enskilda molekyler med atomär upplösning, som är avgörande för upptäckten av nya reaktionsmekanismer och effektivare framtida syntes."

Syntes och beredning av nya material

Det finns fortfarande många problem i syntes och beredning av material och vi måste förstå processerna som skapar dem, exakt hur molekyler reagerar, hur de kemiska bindningarna bryts och bildas.

Professor Khlobystov sa:"Vi döpte vår metod till ChemTEM eftersom det är det mest direkta sättet att studera kemiska reaktioner:elektronstrålen levererar väldefinierade mängder energi direkt till atomerna i molekylen och utlöser därmed en kemisk reaktion, medan du kontinuerligt avbildar molekylära transformationer, bild-för-bildruta i direkt rymd och realtid. Vi kan upptäcka nya kemiska reaktioner och skapa skräddarsydda kemiska strukturer genom att leka med villkoren för TEM – till exempel elektronstrålens energi.

"Vi kan nu se när enskilda molekyler går samman för att bilda nanoband av grafen och polymerer. Vi kan sedan styra reaktionen i den riktning vi vill bilda det material vi vill, och se detta hända i realtid. Till exempel, vi tittar redan på nästa generation av komplexa tvådimensionella molekylära material för elektroniska applikationer bortom grafen."

Omfamna "observatörseffekten"

I mikroskopi satsas mycket ansträngning på att minska påverkan av ljus eller elektronstråle - den så kallade observatörseffekten - på provet för att säkerställa att bilderna representerar verkligt orörda strukturer, opåverkad av mätprocessen.

Forskargruppen har använt "observatörseffekten" för att förvandla TEM till ett bildverktyg och en energikälla för att driva kemiska reaktioner.

Elektronstrålen penetrerar de atomärt tunna väggarna av kolnanorör och möjliggör tidsupplöst avbildning av reaktionerna på enatomsnivå. Aktiveras av elektronstrålen, energin och doshastigheten som kan ställas in exakt, kemiska omvandlingar av molekyler äger rum.