Investigadores de la Universidad de Manchester han demostrado un nuevo método para obtener imágenes de reacciones químicas en vivo con resolución atómica utilizando tubos de ensayo a nanoescala creados con materiales bidimensionales (2D).

La capacidad de observar reacciones químicas basadas en soluciones con resolución subnanométrica en tiempo real ha sido muy buscada desde la invención del microscopio electrónico hace 90 años.

Obtener imágenes de la dinámica de una reacción puede proporcionar conocimientos mecánicos y estrategias de señalización para adaptar las propiedades de los materiales resultantes. Un microscopio electrónico de transmisión (TEM) es uno de los pocos instrumentos capaces de resolver átomos individuales, aunque convencionalmente requiere muestras completamente secas obtenidas en un entorno de vacío, excluyendo cualquier síntesis química húmeda.

Basado en trabajos previos de desarrollo de células líquidas de grafeno que permiten la obtención de imágenes TEM de nanoestructuras en fase líquida, un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Grafeno de la Universidad de Manchester, colaborando con investigadores de la Universidad Leibniz de Hannover, han demostrado que se pueden mezclar dos soluciones dentro del microscopio y obtener imágenes en tiempo real.

La nueva investigación, publicado hoy en Materiales avanzados detalla una nueva plataforma de imágenes que se ha utilizado para investigar el crecimiento de carbonato de calcio. Este material es clave para muchos procesos químicos naturales y sintéticos. Por ejemplo, El carbonato de calcio es el componente principal en las conchas de muchos organismos marinos y su proceso de formación se ve afectado por el aumento de la acidificación de los océanos. La precipitación de carbonato de calcio también es esencial para comprender la degradación del hormigón y el material es un aditivo omnipresente para muchos productos de papel. plástica, cauchos pinturas y tintas para farmacéuticos, productos cosméticos, materiales de construcción, y alimentos de origen animal. Sin embargo, a pesar de este uso generalizado, el mecanismo de cristalización del carbonato cálcico es objeto de un amplio debate.

En este trabajo, los autores proporcionan la nueva evidencia experimental clave para respaldar una vía de cristalización compleja teóricamente predicha. El equipo, dirigido por la profesora Sarah Haigh y el Dr. Roman Gorbachev, diseñó una pila de diferentes materiales bidimensionales que contenían compartimentos de solución líquida a nanoescala formados en micropocillos grabados en un espaciador hexagonal de nitruro de boro. Estos micropocillos fueron separados por una membrana atómicamente delgada y sellados con grafeno que actuó como una "ventana" para permitir la obtención de imágenes con el haz de electrones.

Las dos bolsas de solución se mezclaron luego en el microscopio enfocando el haz de electrones para fracturar localmente la membrana de separación. Esto hizo que los dos reactivos químicos precargados se mezclaran in situ y el proceso de cristalización se pudo monitorear de principio a fin.

El autor principal, el Dr. Daniel Kelly, explicó:"Una de las características clave de nuestro diseño de celda de mezcla fue el uso del haz de electrones para obtener imágenes y perforar las células. A diferencia de los intentos anteriores, esto nos permitió imaginarnos la reacción desde el primer momento en que las soluciones entraron en contacto ".

La línea de tiempo de la reacción se capturó utilizando videos y una técnica avanzada de procesamiento de imágenes para medir la evolución de las especies de carbonato de calcio. La combinación única de alta resolución espacial y control sobre el tiempo de mezcla, así como análisis elemental in situ, permitió al equipo observar la transformación de nanogotas líquidas en precursores amorfos, y finalmente a partículas cristalinas. Los resultados muestran la primera confirmación visual de la separación de fases líquido-líquido, una teoría que se ha debatido acaloradamente entre los químicos inorgánicos durante la última década.

Sobre la dirección futura de esta nueva plataforma de imágenes, El autor Dr. Nick Clark dijo:"Hasta ahora nos hemos centrado principalmente en caracterizar la formación de carbonato de calcio, sin embargo, somos optimistas de que este tipo de experimento podría ampliarse para estudiar muchas otras reacciones de mezcla complejas ".