Voor de eerste keer, onderzoekers zijn erin geslaagd om voorheen ontoegankelijke details van bepaalde chemische processen te bekijken. Ze hebben aangetoond dat er in deze processen significante afzonderlijke stadia zijn die voortbouwen op bestaande kennis van chemische synthese. Deze details kunnen helpen bij de ontwikkeling van methoden om chemicaliën te synthetiseren met meer controle en precisie dan ooit tevoren. Methoden zoals deze kunnen nuttig zijn in de materiaalwetenschap en bij de ontwikkeling van geneesmiddelen.

"Sinds 2007, natuurkundigen hebben een droom gerealiseerd van meer dan 200 jaar oud:het vermogen om een ​​individueel atoom te zien, " zei Project Professor Eiichi Nakamura. "Maar daar bleef het niet bij. Onze onderzoeksgroep is verder gegaan dan deze droom om video's van moleculen te maken om chemische reacties in ongekend detail te zien."

Nakamura's team van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Tokyo probeert verschillende chemische processen die verantwoordelijk zijn voor materiaalsynthese onder de knie te krijgen. Echter, chemische synthese is een ingewikkeld vakgebied.

"Conventionele analytische methoden zoals spectroscopie en kristallografie geven ons nuttige informatie over de uitkomsten van processen, maar geeft alleen hints over wat er tijdens hen gebeurt, " legde Koji Harano uit, projectdocent bij de Nakamura-groep. "Bijvoorbeeld, we zijn geïnteresseerd in metaal-organische raamwerk (MOF) kristallen. De meeste studies kijken naar de groei hiervan, maar missen het vroege stadium van kiemvorming, omdat het moeilijk te observeren is."

De voorbijgaande stadia van complexe chemische reacties zijn moeilijk te bestuderen omdat er meerdere tussenprocessen zijn die plaatsvinden tussen het begin en het einde van de meeste reacties. In principe, de afzonderlijke fasen konden worden gezien, maar in werkelijkheid, het was onmogelijk om de producten in elk stadium te isoleren en te zien hoe deze met de tijd veranderden. Nakamura, Harano en team hebben meer dan 10 jaar aan dit probleem besteed, en hebben een methode ontwikkeld die moleculaire elektronenmicroscopie wordt genoemd.

"Het was een probleem dat uit twee delen bestond, " zei Harano. "Op grote schaal, er was een technische uitdaging om een ​​unieke hoge resolutie elektronenmicroscoop te combineren met een snelle en gevoelige beeldsensor voor continue videobeeldvorming; terwijl op kleine schaal, we moesten een manier bedenken om de moleculen van belang vast te leggen en ze op hun plaats te houden, zodat de camera de actie kon vastleggen."

Om bepaalde moleculen te isoleren en te beveiligen, het team gebruikte een speciaal gemodificeerde koolstofnanobuis. Dit zou een passerende molecuul haken en op zijn plaats houden, maar cruciaal, zou de reacties van dat molecuul niet verstoren. Op deze manier, elke fase van de reactie zou plaatsvinden aan het uiteinde van de nanobuis, die op zijn beurt op zijn plaats werd gehouden in het brandpunt van de elektronenmicroscoop. De resulterende gegevens kunnen worden omgezet in realtime video's van de reacties.

"Wat ons in het begin erg verbaasde, was dat ons plan echt werkte. Het was een complexe uitdaging, maar we hebben deze moleculaire video's voor het eerst gevisualiseerd in 2013, " zei Harano. "Tussen toen en nu, we hebben gewerkt om het concept om te zetten in een handig hulpmiddel. Ons eerste succes was het visualiseren en beschrijven van een kubusvormig molecuul, wat een cruciale tussenvorm is die optreedt tijdens MOF-synthese. Het heeft een jaar geduurd om onze recensenten ervan te overtuigen dat wat we hebben gevonden echt is."

Dit is slechts de eerste stap naar het vermogen om op een nauwkeurige en gecontroleerde manier controle te krijgen over chemische synthese - een term die de onderzoekers 'rationele synthese' noemen. Het is belangrijk om details van reacties te observeren terwijl ze vorderen, zodat ze effectief kunnen worden omgekeerd. De droom 200 jaar geleden was om een ​​atoom te zien; de droom is nu om moleculen te controleren om dingen te creëren zoals synthetische mineralen voor constructie, of zelfs nieuwe medicijnen om levens te redden.