Los químicos de la Universidad de Syracuse han ideado una nueva forma innovadora de visualizar y controlar las reacciones químicas en tiempo real.

Los miembros del Grupo de Investigación Maye en el Departamento de Química han diseñado un nanomaterial que cambia de color cuando interactúa con iones y otras moléculas pequeñas durante una reacción química.

El tema de un artículo en ACS Nano (Sociedad Química Americana, 2016), Su descubrimiento permite a los investigadores monitorear reacciones cualitativamente a simple vista y cuantitativamente con instrumentación simple.

"En muchos casos, una reacción química entre moléculas ocurre en una solución que es incolora y transparente o parece una suspensión lechosa, "dice Mathew Maye, profesor asociado de química y líder del equipo del experimento. "La única forma de saber si se ha producido una reacción o no es realizar un análisis exhaustivo después de una purificación de varios pasos".

En un intento de averiguar por qué y qué tan rápido ocurre una reacción (si es que ocurre), el grupo ha diseñado una nanopartícula que reacciona con subproductos de la reacción. "Cuando ocurren las reacciones, la nanopartícula presenta fluorescencia con un color diferente, permitiéndonos medir la cinética a ojo, en lugar de con un espectrómetro de un millón de dólares, "Dice Maye.

Un elemento central del trabajo del grupo es una clase emergente de nanomateriales llamados perovskitas. Una perovskita es una clase especial de cristal, típicamente compuesto por iones metálicos y oxígeno. Las perovskitas del grupo están compuestas por iones metálicos y un haluro.

A nanoescala, las perovskitas son fotoluminiscentes, lo que significa que emiten luz cuando son "excitados" por un láser o una lámpara. Que los colores que emiten están determinados, en parte, por sus concentraciones de iones, las perovskitas son únicas entre los nanomateriales.

También los hace maduros para su aplicación. Los grupos de investigación de la industria y el mundo académico ven potencial para las perovskitas en las células solares, la luz emite diodos, láseres y fotodetectores.

Tennyson Doane, un investigador postdoctoral en el grupo, es coautor del artículo con Maye. "Sabíamos del potencial de estos materiales en la investigación energética, "Dice Doane." También estamos interesados ​​en la energía, y tuve la loca idea de intentar usar las proporciones de concentración de iones de las perovskitas para detectar iones en solución, y luego tal vez monitorear la reacción química, lo cual es muy difícil de hacer. No teníamos idea de si funcionaría o no, así que decidimos hacerlo ".

El grupo comenzó trabajando con un sistema muy simple que involucraba reacciones orgánicas de moléculas llamadas organohaluros. Cuando estas moléculas reaccionan, a menudo formando dobles enlaces carbono-carbono en lo que se conoce como reacción de eliminación, se libera el haluro. (El haluro es un bromo, ion cloro o yodo). el haluro es un subproducto sin importancia de la reacción, hasta ahora.

"Nuestra tecnología nos permite detectar con precisión la liberación de haluro, "dice Kevin Cruz '18, un estudiante de química y coautor del artículo. "Cuando comienza la reacción, la perovskita presenta una fluorescencia roja brillante. A medida que se libera el haluro, o intercambiado en la reacción química, nuestra partícula lo absorbe, y el color de la fluorescencia cambia proporcionalmente a la concentración de haluro, de rojo a naranja, de amarillo a verde. Cuando el color es verde, la reacción ha terminado ".

Doane explica:"A eso se suma el hecho de que la concentración de perovskita es muy baja, solo tiene que agregar una pequeña cantidad a la reacción para la observación. Hemos podido calibrar el sistema con mucha precisión, ya partir de eso se puede medir la cinética química de una nueva forma 'colorimétrica' ".

Maye no ofrece más que elogios por Doane y Cruz, afirmando que lo que han logrado en poco tiempo y con un presupuesto reducido es "asombroso".

"Nadie, ahora, está pensando en monitorear una reacción química de esta manera, ", Agrega Maye." Nuestro equipo es capaz de medir cinéticas químicas muy precisas al monitorear el cambio de color con nada más que una bombilla ultravioleta o un espectrómetro de fluorescencia barato ".

Además de Doane, Cruz y Maye, el artículo fue coescrito por Kayla Ryan G'15, Doctor. estudiante Laxmikant Pathade y Huidong Zang y Mircea Cotlet en el Centro de Nanomateriales Funcionales en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, cada uno de los cuales realizó importantes mediciones en el estudio.

La tecnología del grupo está pendiente de patente en la Universidad. Maye dice que están probando la aplicabilidad del enfoque a una amplia biblioteca de reacciones químicas y su efectividad para medir concentraciones bajas de iones y moléculas reactivas.

"Quién sabe, quizás en el futuro, cada químico usará una perovskita basada en Siracusa para monitorear sus reacciones, " él añade.