Wetenschappers zijn erin geslaagd om intermoleculaire chemische reacties te 'filmen' - met behulp van de elektronenstraal van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) als een stop-frame imaging-instrument. Ze hebben ook ontdekt dat de elektronenbundel tegelijkertijd kan worden afgestemd om specifieke chemische reacties te stimuleren door hem te gebruiken als energiebron en als beeldvormingsinstrument.

Dit onderzoek - dat chemische reacties laat zien die in realtime plaatsvinden op een honderdmiljoenste van een centimeter - heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de studie en ontwikkeling van nieuwe materialen. Het zou kunnen helpen bij het beantwoorden van enkele van de meest fundamentele en uitdagende vragen van de chemische wetenschap; zoals hoe moleculen op atomistisch niveau met elkaar reageren; wat de vorming van het ene product stimuleert in plaats van het andere; evenals de ontdekking van gloednieuwe chemische reacties.

Het multinationale team van experts uit het VK, Duitsland en Rusland, werd geleid door Andrei Chlobystov, een professor in nanomaterialen en directeur van het Nanoscale and Microscale Research Centre van de Universiteit van Nottingham. De studie:'Stop-frame filmen en ontdekking van reacties op het niveau van één molecuul door transmissie-elektronenmicroscopie' is gepubliceerd in ACS Nano , een vlaggenschip tijdschrift voor nanowetenschap en nanotechnologie en geselecteerd als ACS Editor's Choice vanwege het potentieel voor brede publieke belangstelling.

Professor Khlobystov zei:"Dit is een belangrijke wetenschappelijke doorbraak. We hebben de manier waarop we TEM gebruiken getransformeerd - van het maken van stilstaande beelden tot een hulpmiddel voor het filmen en stimuleren van chemische reacties. Het is de eerste keer dat we chemische reacties op dit niveau hebben kunnen bekijken en observeer het lot van moleculen terwijl de chemische reacties plaatsvinden - van de startmoleculen helemaal tot aan het product."

Het onderzoek is uitgevoerd door experts in synthetische en theoretische chemie, materialen en elektronenmicroscopie en bouwt voort op het concept van professor Khlobystov van koolstofnano-reageerbuisjes ('s werelds kleinste reageerbuisjes, Guinness Book of World Records 2005), waar de nanobuis fungeert als een container voor moleculen. Zijn baanbrekende werk aan koolstofnanocontainers en nanoreactoren leidt nu al tot nieuwe manieren om moleculaire assemblage te sturen en chemische reacties te bestuderen.

Het Britse onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met Elena Besley, een professor in Theoretical Computation Chemistry en haar team van onderzoekers die werken in de Computational Nanoscience Group aan de Universiteit van Nottingham.

Professor Besley zei:"Door te graven in de kleinste chemische bouwstenen van materie, onze studie maakt gebruik van het 'waarnemerseffect' en stelt een geheel nieuwe methodologie vast voor het bestuderen van chemische reacties. We laten zien dat de elektronenbundel, tegelijkertijd fungeren als een beeldvormende sonde en een bron van energie om chemische transformaties aan te drijven, biedt een nieuw hulpmiddel voor het bestuderen van de chemische reacties van individuele moleculen met atomaire resolutie, wat van vitaal belang is voor de ontdekking van nieuwe reactiemechanismen en efficiëntere toekomstige synthese."

Synthese en voorbereiding van nieuwe materialen

Er zijn nog steeds veel problemen bij de synthese en bereiding van materialen en we moeten de processen begrijpen die ze creëren, hoe moleculen precies reageren, hoe de chemische bindingen breken en vormen.

Professor Khlobystov zei:"We hebben onze methode ChemTEM genoemd omdat het de meest directe manier is om chemische reacties te bestuderen:de elektronenstraal levert goed gedefinieerde hoeveelheden energie rechtstreeks aan de atomen in het molecuul en veroorzaakt zo een chemische reactie, terwijl we continu de moleculaire transformaties in beeld brengen, frame voor frame in directe ruimte en in realtime. We kunnen nieuwe chemische reacties ontdekken en chemische structuren op maat maken door te spelen met de omstandigheden van de TEM – bijvoorbeeld de energie van de elektronenstraal.

"We kunnen nu zien hoe individuele moleculen samenkomen om nanoribbons van grafeen en polymeren te vormen. We kunnen dan de reactie sturen in de richting die we willen om het gewenste materiaal te vormen, en zie dit in realtime gebeuren. Bijvoorbeeld, we kijken al naar de volgende generatie complexe tweedimensionale moleculaire materialen voor elektronische toepassingen buiten grafeen."

Het 'waarnemerseffect' omarmen

Bij microscopie wordt veel moeite gestoken in het verminderen van de impact van licht of elektronenstraal - het zogenaamde waarnemereffect' - op het monster om ervoor te zorgen dat de afbeeldingen werkelijk ongerepte structuren vertegenwoordigen, niet beïnvloed door het meetproces.

Het onderzoeksteam heeft het 'waarnemerseffect' gebruikt om TEM om te zetten in een beeldvormend hulpmiddel en een energiebron om chemische reacties aan te sturen.

De elektronenbundel dringt door de atomair dunne wanden van koolstofnanobuisjes en maakt tijdsopgeloste beeldvorming van de reacties op het niveau van één atoom mogelijk. Geactiveerd door de elektronenstraal, de energie- en dosissnelheid die nauwkeurig kan worden ingesteld, chemische transformaties van moleculen plaatsvinden.