Onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben een nieuwe methode gedemonstreerd voor het afbeelden van levende chemische reacties met atomaire resolutie met behulp van reageerbuizen op nanoschaal die zijn gemaakt met behulp van tweedimensionale (2D) materialen.

Het vermogen om op oplossingen gebaseerde chemische reacties met sub-nanometerresolutie in realtime waar te nemen, is zeer gewild sinds de uitvinding van de elektronenmicroscoop 90 jaar geleden.

Het in beeld brengen van de dynamiek van een reactie kan mechanistische inzichten en wegwijzerstrategieën opleveren voor het afstemmen van de eigenschappen van de resulterende materialen. Een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) is een van de weinige instrumenten die individuele atomen kunnen oplossen, hoewel het conventioneel volledig droge monsters vereist die in een vacuümomgeving worden afgebeeld, elke natte chemische synthese uitsluiten.

Gebaseerd op eerder werk bij het ontwikkelen van vloeibare grafeencellen die TEM-beeldvorming van nanostructuren in de vloeibare fase mogelijk maken, een team van onderzoekers van het National Graphene Institute van de Universiteit van Manchester, in samenwerking met onderzoekers van de Leibniz University Hannover, hebben aangetoond dat twee oplossingen in de microscoop kunnen worden gemengd en in realtime kunnen worden afgebeeld.

Het nieuwe onderzoek, vandaag gepubliceerd in Geavanceerde materialen beschrijft een nieuw beeldvormingsplatform dat is gebruikt om de groei van calciumcarbonaat te onderzoeken. Dit materiaal is de sleutel tot veel natuurlijke en synthetische chemische processen. Bijvoorbeeld, calciumcarbonaat is het belangrijkste bestanddeel in de schelpen van veel mariene organismen en het vormingsproces wordt beïnvloed door toenemende verzuring van de oceaan. Calciumcarbonaatprecipitatie is ook essentieel voor het begrijpen van betondegradatie en het materiaal is een alomtegenwoordig additief voor veel producten van papier, kunststoffen, rubbers, verven, en inkt voor de farmacie, cosmetica, bouwmaterialen, en dierlijk voedsel. Niettemin, ondanks dit wijdverbreide gebruik, het kristallisatiemechanisme voor calciumcarbonaat wordt veel besproken.

In dit werk leveren de auteurs het belangrijkste nieuwe experimentele bewijs ter ondersteuning van een theoretisch voorspelde complexe kristallisatieroute. Het team, onder leiding van professor Sarah Haigh en dr. Roman Gorbachev, ontwierp een stapel verschillende tweedimensionale materialen die compartimenten voor vloeibare oplossing op nanoschaal bevatten, gevormd in microwells die zijn geëtst in hexagonale boornitride-spacer. Deze microwells werden gescheiden door een atomair dun membraan en afgesloten met grafeen dat als een 'venster' fungeerde om beeldvorming met de elektronenstraal mogelijk te maken.

De twee zakken met oplossing werden vervolgens in de microscoop gemengd door de elektronenstraal te focusseren om het scheidingsmembraan plaatselijk te breken. Hierdoor werden de twee voorgeladen chemische reagentia in situ gemengd en kon het kristallisatieproces van begin tot eind worden gevolgd.

Hoofdauteur Dr. Daniel Kelly legde uit:"Een van de belangrijkste kenmerken van ons mengcelontwerp was het gebruik van de elektronenstraal om de cellen zowel af te beelden als te doorboren. In tegenstelling tot eerdere pogingen, dit maakte het voor ons mogelijk om de reactie in beeld te brengen vanaf het eerste moment dat de oplossingen in contact kwamen."

De reactietijdlijn werd vastgelegd met behulp van video's en geavanceerde beeldverwerkingstechnieken om de evolutie van de calciumcarbonaatsoort te meten. De unieke combinatie van hoge ruimtelijke resolutie en controle over de mengtijd, evenals in situ elementaire analyse, stelde het team in staat om de transformatie van vloeibare nanodruppels in amorfe voorlopers te observeren, en tenslotte tot kristallijne deeltjes. De resultaten tonen de eerste visuele bevestiging van vloeistof-vloeistof fasescheiding, een theorie waarover het afgelopen decennium veel discussie is geweest onder anorganische chemici.

Over de toekomstige richting van dit nieuwe beeldvormingsplatform, auteur Dr. Nick Clark zei:"Tot nu toe hebben we ons voornamelijk gericht op het karakteriseren van de vorming van calciumcarbonaat, we zijn echter optimistisch dat dit type experiment kan worden uitgebreid om vele andere complexe mengreacties te bestuderen."