Los científicos han logrado "filmar" reacciones químicas intermoleculares, utilizando el haz de electrones de un microscopio electrónico de transmisión (TEM) como herramienta de obtención de imágenes de cuadro de parada. También han descubierto que el haz de electrones se puede sintonizar simultáneamente para estimular reacciones químicas específicas utilizándolo como fuente de energía y como herramienta de formación de imágenes.

Esta investigación, que muestra reacciones químicas que ocurren en tiempo real a una cien millonésima de centímetro, tiene el potencial de revolucionar el estudio y desarrollo de nuevos materiales. Podría ayudar a responder algunas de las preguntas más fundamentales y desafiantes de la ciencia química; por ejemplo, cómo reaccionan las moléculas entre sí a nivel atomístico; qué impulsa la formación de un producto en lugar de otro; así como ayudar al descubrimiento de nuevas reacciones químicas.

El equipo multinacional de expertos del Reino Unido, Alemania y Rusia, fue dirigido por Andrei Khlobystov, Profesor de Nanomateriales y Director del Centro de Investigación a nanoescala y microescala de la Universidad de Nottingham. En ACS Nano , una revista insignia de nanociencia y nanotecnología y seleccionada como Elección del Editor de la ACS debido a su potencial para un amplio interés público.

El profesor Khlobystov dijo:"Este es un avance científico significativo. Hemos transformado la forma en que usamos TEM, de tomar imágenes fijas a una herramienta para filmar y estimular reacciones químicas. Es la primera vez que podemos observar reacciones químicas a este nivel y observar el destino de las moléculas a medida que tienen lugar las reacciones químicas, desde las moléculas iniciales hasta el producto ".

La investigación fue realizada por expertos en química sintética y teórica, materiales y microscopía electrónica y se basa en el concepto del profesor Khlobystov de nano tubos de ensayo de carbono (los tubos de ensayo más pequeños del mundo, Libro Guinness de los récords mundiales 2005), donde el nanotubo actúa como contenedor de moléculas. Su trabajo pionero en nano-contenedores y nano-reactores de carbono ya está dando lugar a nuevas formas de dirigir el ensamblaje molecular y estudiar reacciones químicas.

La investigación del Reino Unido se llevó a cabo en colaboración con Elena Besley, profesora de Química de Computación Teórica y su equipo de investigadores que trabajan en el Grupo de Nanociencia Computacional de la Universidad de Nottingham.

El profesor Besley dijo:"Profundizando en los componentes químicos más pequeños de la materia, nuestro estudio aprovecha el "efecto observador" y establece una metodología completamente nueva para estudiar las reacciones químicas. Demostramos que el haz de electrones, actuando simultáneamente como una sonda de imágenes y una fuente de energía para impulsar las transformaciones químicas, ofrece una nueva herramienta para estudiar las reacciones químicas de moléculas individuales con resolución atómica, que es vital para el descubrimiento de nuevos mecanismos de reacción y síntesis futura más eficiente ".

Síntesis y preparación de nuevos materiales

Todavía existen muchos problemas en la síntesis y preparación de materiales y necesitamos comprender los procesos que los crean, cómo reaccionan exactamente las moléculas, cómo se rompen y forman los enlaces químicos.

El profesor Khlobystov dijo:"Llamamos a nuestro método ChemTEM porque es la forma más directa de estudiar reacciones químicas:el haz de electrones entrega cantidades bien definidas de energía directamente a los átomos dentro de la molécula y, por lo tanto, desencadena una reacción química". mientras imagina continuamente las transformaciones moleculares, fotograma a fotograma en espacio directo y en tiempo real. Podemos descubrir nuevas reacciones químicas y crear estructuras químicas a medida jugando con las condiciones del TEM, por ejemplo, la energía del haz de electrones.

"Ahora podemos observar cómo las moléculas individuales se unen para formar nanocintas de grafeno y polímeros. Luego, podemos dirigir la reacción en la dirección que queremos para formar el material que queremos". y observe cómo sucede esto en tiempo real. Por ejemplo, ya estamos viendo la próxima generación de materiales moleculares bidimensionales complejos para aplicaciones electrónicas más allá del grafeno ".

Adoptando el 'efecto observador'

En microscopía se invierte mucho esfuerzo en reducir el impacto de la luz o el haz de electrones, el llamado efecto del observador, en la muestra para garantizar que las imágenes representen estructuras verdaderamente prístinas. no se ve afectado por el proceso de medición.

El equipo de investigación ha empleado el 'efecto observador' para convertir TEM en una herramienta de imagen y una fuente de energía para impulsar reacciones químicas.

El haz de electrones penetra las paredes atómicamente delgadas de los nanotubos de carbono y permite obtener imágenes con resolución temporal de las reacciones a nivel de un solo átomo. Activado por el haz de electrones, la energía y la tasa de dosis que se pueden configurar con precisión, se producen transformaciones químicas de moléculas.