Chemici van de Universiteit van Syracuse hebben een innovatieve nieuwe manier bedacht om chemische reacties in realtime te visualiseren en te volgen.

Leden van de Maye Research Group van de afdeling Scheikunde hebben een nanomateriaal ontworpen dat van kleur verandert wanneer het tijdens een chemische reactie interageert met ionen en andere kleine moleculen.

Het onderwerp van een artikel in ACS Nano (Amerikaanse Chemische Vereniging, 2016), hun ontdekking stelt onderzoekers in staat om reacties kwalitatief te volgen met het blote oog en kwantitatief met eenvoudige instrumenten.

"Vaak, een chemische reactie tussen moleculen vindt plaats in een oplossing die kleurloos en transparant is of eruitziet als een melkachtige suspensie, " zegt Mathew Maye, universitair hoofddocent scheikunde en de teamleider van het experiment. "De enige manier om te weten of een reactie heeft plaatsgevonden of niet, is door uitgebreide analyses uit te voeren na een meerstapszuivering."

In een poging om erachter te komen waarom en hoe snel een reactie optreedt (of helemaal niet), de groep heeft een nanodeeltje ontworpen dat reageert met bijproducten van de reactie. "Als de reacties optreden, het nanodeeltje fluoresceert in een andere kleur, waardoor we kinetiek met het oog kunnen meten, in plaats van met een spectrometer van een miljoen dollar, ' zegt May.

Centraal in het werk van de groep staat een opkomende klasse van nanomaterialen die perovskieten worden genoemd. Een perovskiet is een speciale klasse kristal, meestal opgebouwd uit metaalionen en zuurstof. De perovskieten van de groep zijn samengesteld uit metaalionen en een halogenide.

Op nanoschaal is perovskieten zijn fotoluminescerend, wat betekent dat ze licht uitstralen wanneer ze "opgewonden" worden door een laser of lamp. Dat de kleuren die ze uitstralen bepaald zijn, gedeeltelijk, door hun ionenconcentraties maakt perovskieten uniek onder nanomaterialen.

Het maakt ze ook rijp voor toepassing. Onderzoeksgroepen in de industrie en de academische wereld zien potentieel voor perovskieten in zonnecellen, lichtgevende dioden, lasers en fotodetectoren.

Tennyson Doane, een postdoctoraal onderzoeker in de groep, is de co-corresponderende auteur van het artikel met Maye. "We wisten van het potentieel van deze materialen in energieonderzoek, " zegt Doane. "We zijn ook geïnteresseerd in energie, en had het gekke idee om de ionenconcentratieverhoudingen van perovskieten te gebruiken om ionen in oplossing te detecteren, en dan misschien de chemische reactie volgen, wat erg moeilijk is om te doen. We hadden geen idee of het zou werken of niet, dus we besloten er gewoon voor te gaan."

De groep begon met het werken met een heel eenvoudig systeem dat organische reacties omvatte van moleculen die organohalogeniden worden genoemd. Wanneer deze moleculen reageren, vormen vaak dubbele koolstof-koolstofbindingen in wat bekend staat als een eliminatiereactie, het halogenide komt vrij. (Het halogenide is een broom, chloor- of jodium-ion.) Typisch, het halogenide is een onbelangrijk bijproduct van de reactie, tot nu.

"Onze technologie stelt ons in staat om de afgifte van halogenide nauwkeurig te detecteren, " zegt Kevin Cruz '18, een hoofdvak scheikunde en co-auteur van het artikel. "Als de reactie begint, de perovskiet fluoresceert helderrood. Terwijl het halogenide vrijkomt, of uitgewisseld in de chemische reactie, ons deeltje absorbeert het, en de fluorescentiekleur verandert evenredig met de halogenideconcentratie - van rood naar oranje naar geel naar groen. Als de kleur groen is, de reactie is voorbij."

Doane legt uit:"Daar komt nog bij dat de perovskietconcentratie erg laag is, je hoeft alleen maar een kleine hoeveelheid aan de reactie toe te voegen voor observatie. We hebben het systeem zeer nauwkeurig kunnen kalibreren, en van daaruit chemische kinetiek op een nieuwe 'colorimetrische' manier kunnen meten."

Maye heeft niets dan lof voor Doane en Cruz, waarin staat dat wat ze hebben bereikt in een korte tijd en met een klein budget "geweldig" is.

"Niemand, direct, overweegt een chemische reactie op deze manier te volgen, " Maye voegt toe. "Ons team is in staat om zeer nauwkeurige chemische kinetiek te meten door de kleurverandering te volgen met niets meer dan een ultraviolette gloeilamp of een goedkope fluorescentiespectrometer."

Naast Doane, Cruz en May, het artikel is mede geschreven door Kayla Ryan G'15, doctoraat student Laxmikant Pathade en Huidong Zang en Mircea Cotlet bij het Center for Functional Nanomaterials in Brookhaven National Laboratory, die elk belangrijke metingen hebben gedaan in het onderzoek.

Op de technologie van de groep is patent aangevraagd bij de universiteit. Maye zegt dat ze de toepasbaarheid van de aanpak testen op een brede bibliotheek van chemische reacties en de effectiviteit ervan bij het meten van lage concentraties ionen en reactieve moleculen.

"Wie weet, misschien in de toekomst, elke scheikundige zal een op Syracuse gebaseerde perovskiet gebruiken om hun reacties te volgen, " hij voegt toe.