Forskare har gjort en liten kamera, hålls samman med "molekylärt lim" som gör att de kan observera kemiska reaktioner i realtid.

Enheten, gjord av ett team från University of Cambridge, kombinerar små halvledarnanokristaller som kallas kvantprickar och guldnanopartiklar med hjälp av molekylärt lim som kallas cucurbituril (CB). När den tillsätts till vatten med molekylen som ska studeras, komponenterna självmonteras på några sekunder till ett stall, kraftfullt verktyg som möjliggör realtidsövervakning av kemiska reaktioner.

Kameran skördar ljus i halvledarna, inducerar elektronöverföringsprocesser som de som sker vid fotosyntes, som kan övervakas med hjälp av inbyggda guld nanopartikelsensorer och spektroskopiska tekniker. De kunde använda kameran för att observera kemiska arter som tidigare hade teoretiserats men inte direkt observerats.

Plattformen kan användas för att studera ett brett spektrum av molekyler för en mängd olika potentiella tillämpningar, såsom förbättring av fotokatalys och solceller för förnybar energi. Resultaten redovisas i tidskriften Naturens nanoteknik .

Naturen kontrollerar sammansättningarna av komplexa strukturer i molekylär skala genom självbegränsande processer. Dock, att härma dessa processer i labbet är vanligtvis tidskrävande, dyr och beroende av komplexa procedurer.

"För att utveckla nya material med överlägsna egenskaper, vi kombinerar ofta olika kemiska arter tillsammans för att komma fram till ett hybridmaterial som har de egenskaper vi vill ha, " sa professor Oren Scherman från Cambridges Yusuf Hamied Department of Chemistry, som ledde forskningen. "Men att göra dessa hybrida nanostrukturer är svårt, och du får ofta okontrollerad tillväxt eller material som är instabila."

Den nya metod som Scherman och hans kollegor från Cambridges Cavendish Laboratory och University College London utvecklade använder cucurbituril - ett molekylärt lim som interagerar starkt med både halvledarkvantprickar och guldnanopartiklar. Forskarna använde små halvledarnanokristaller för att kontrollera sammansättningen av större nanopartiklar genom en process som de myntade självbegränsande aggregering av gränssnitt. Processen leder till permeabla och stabila hybridmaterial som interagerar med ljus. Kameran användes för att observera fotokatalys och spåra ljusinducerad elektronöverföring.

"Vi blev förvånade över hur kraftfullt det här nya verktyget är, med tanke på hur enkelt det är att montera, " sa första författaren Dr. Kamil Sokołowski, även från Kemiska institutionen.

För att göra sin nanokamera, teamet lade till de individuella komponenterna, tillsammans med molekylen de ville observera, till vatten i rumstemperatur. Tidigare, när guldnanopartiklar blandades med det molekylära limmet i frånvaro av kvantprickar, komponenterna genomgick obegränsad aggregering och föll ur lösning. Dock, med den strategi som utvecklats av forskarna, kvantprickar förmedlar sammansättningen av dessa nanostrukturer så att halvledar-metallhybriderna kontrollerar och begränsar sin egen storlek och form. Dessutom, dessa strukturer förblir stabila i veckor.

"Denna självbegränsande egendom var överraskande, det var inget vi förväntade oss att se, " sa medförfattaren Dr Jade McCune, även från Kemiska institutionen. "Vi fann att aggregationen av en nanopartikelkomponent kunde kontrolleras genom tillsats av en annan nanopartikelkomponent."

När forskarna blandade komponenterna, teamet använde spektroskopi för att observera kemiska reaktioner i realtid. Med hjälp av kameran, de kunde observera bildningen av radikala arter - en molekyl med en oparad elektron - och produkter av deras sammansättning såsom sigma dimera viologen arter, där två radikaler bildar en reversibel kol-kolbindning. Den senare arten hade teoretiserats men aldrig observerats.

"Människor har ägnat hela sin karriär åt att få bitar av materia att samlas på ett kontrollerat sätt, sade Scherman, som också är chef för Melville Laboratory. "Denna plattform kommer att låsa upp ett brett utbud av processer, inklusive många material och kemi som är viktiga för hållbar teknik. Den fulla potentialen hos halvledar- och plasmoniska nanokristaller kan nu utforskas, ger en möjlighet att samtidigt inducera och observera fotokemiska reaktioner."

"Den här plattformen är en riktigt stor verktygslåda med tanke på antalet metall- och halvledarbyggstenar som nu kan kopplas samman med hjälp av denna kemi – den öppnar upp massor av nya möjligheter för avbildning av kemiska reaktioner och avkänning genom att ta ögonblicksbilder av övervakade kemiska system, ", sa Sokołowski. "Enkelheten i installationen gör att forskare inte längre behöver komplexa, dyra metoder för att få samma resultat."

Forskare från Scherman-labbet arbetar för närvarande med att vidareutveckla dessa hybrider mot artificiella fotosyntetiska system och (foto)katalys där elektronöverföringsprocesser kan observeras direkt i realtid. Teamet tittar också på mekanismer för bildning av kol-kolbindningar samt elektrodgränssnitt för batteriapplikationer.