Por primera vez, los investigadores han logrado ver detalles previamente inaccesibles de ciertos procesos químicos. Han demostrado que hay etapas discretas significativas en estos procesos que se basan en el conocimiento existente de síntesis química. Estos detalles podrían ayudar en el desarrollo de métodos para sintetizar sustancias químicas con mayor control y precisión que nunca. Métodos como estos podrían resultar útiles en la ciencia de los materiales y en el desarrollo de fármacos.

"Desde 2007, Los físicos han realizado un sueño de más de 200 años:la capacidad de ver un átomo individual, "dijo el profesor de proyecto Eiichi Nakamura." Pero no terminó ahí. Nuestro grupo de investigación ha ido más allá de este sueño para crear videos de moléculas para ver las reacciones químicas con un detalle sin precedentes ".

El equipo de Nakamura del Departamento de Química de la Universidad de Tokio busca dominar el control de varios procesos químicos responsables de la síntesis de materiales. Sin embargo, La síntesis química es un campo de estudio complicado.

"Los métodos analíticos convencionales como la espectroscopia y la cristalografía nos brindan información útil sobre los resultados de los procesos, pero solo pistas sobre lo que ocurre durante ellas, "explicó Koji Harano, profesor asociado del proyecto en el grupo Nakamura. "Por ejemplo, Estamos interesados ​​en cristales de estructura organometálica (MOF). La mayoría de los estudios analizan el crecimiento de estos, pero pasan por alto la etapa inicial de nucleación, ya que es difícil de observar ".

Las etapas transitorias de reacciones químicas complejas son difíciles de estudiar ya que existen múltiples procesos intermedios que ocurren entre el inicio y el final de la mayoría de las reacciones. En principio, se pueden ver las etapas individuales, Pero en la realidad, era imposible aislar los productos en cada etapa y ver cómo estos cambiaban con el tiempo. Nakamura, Harano y su equipo dedicaron más de 10 años a este problema, y han desarrollado un método llamado microscopía electrónica molecular.

"Fue un problema de dos partes, ", dijo Harano." A gran escala, Hubo un desafío de ingeniería para combinar un microscopio electrónico de alta resolución única con un sensor de imágenes rápido y sensible para obtener imágenes de video continuas; mientras que a pequeña escala, tuvimos que idear una forma de capturar las moléculas de interés y mantenerlas en su lugar para que la cámara pudiera captar la acción ".

Para aislar y asegurar moléculas particulares, el equipo utilizó un nanotubo de carbono especialmente modificado. Esto engancharía una molécula pasajera y la mantendría en su lugar, pero de manera crucial, no interferiría con las reacciones de esa molécula. De esta manera, cada etapa de la reacción tendría lugar en la punta del nanotubo, que a su vez se mantuvo en su lugar en el punto focal del microscopio electrónico. Los datos resultantes se pueden convertir en videos en tiempo real de las reacciones.

"Lo que nos sorprendió mucho al principio fue que nuestro plan realmente funcionó. Fue un desafío complejo, pero visualizamos estos videos moleculares por primera vez en 2013, "dijo Harano." Entre entonces y ahora, trabajamos para convertir el concepto en una herramienta útil. Nuestro primer éxito fue visualizar y describir una molécula en forma de cubo, que es una forma intermedia crucial que se produce durante la síntesis de MOF. Nos llevó un año convencer a nuestros revisores de que lo que encontramos es real ".

Este es solo el primer paso hacia la capacidad de controlar la síntesis química de una manera precisa y controlada, un término que los investigadores denominan "síntesis racional". Es importante observar los detalles de las reacciones a medida que avanzan para que se puedan aplicar ingeniería inversa de manera efectiva. El sueño de hace 200 años era ver un átomo; el sueño ahora es controlar las moléculas para crear cosas como minerales sintéticos para la construcción, o incluso nuevos medicamentos para salvar vidas.