Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a visualizzare dettagli precedentemente inaccessibili di determinati processi chimici. Hanno dimostrato che ci sono fasi discrete significative in questi processi che si basano sulla conoscenza esistente della sintesi chimica. Questi dettagli potrebbero aiutare nello sviluppo di metodi per sintetizzare sostanze chimiche con un controllo e una precisione maggiori che mai. Metodi come questi potrebbero essere utili nella scienza dei materiali e nello sviluppo di farmaci.

"Dal 2007, i fisici hanno realizzato un sogno vecchio di oltre 200 anni:la capacità di vedere un singolo atomo, " ha detto il Professore del Progetto Eiichi Nakamura. "Ma non è finita qui. Il nostro gruppo di ricerca è andato oltre questo sogno per creare video di molecole per vedere le reazioni chimiche con dettagli senza precedenti".

Il team di Nakamura del Dipartimento di Chimica dell'Università di Tokyo cerca di padroneggiare il controllo di vari processi chimici responsabili della sintesi dei materiali. Però, la sintesi chimica è un campo di studio complicato.

"I metodi analitici convenzionali come la spettroscopia e la cristallografia ci forniscono informazioni utili sui risultati dei processi, ma solo accenni a ciò che accade durante loro, " ha spiegato Koji Harano, professore associato di progetto nel gruppo Nakamura. "Per esempio, siamo interessati ai cristalli di struttura metallo-organica (MOF). La maggior parte degli studi esamina la crescita di questi ma manca la fase iniziale della nucleazione, come è difficile da osservare."

Gli stadi transitori di reazioni chimiche complesse sono difficili da studiare poiché ci sono più processi intermedi che si verificano tra l'inizio e la fine della maggior parte delle reazioni. In linea di principio, si potevano vedere le singole fasi, ma in realtà, era impossibile isolare i prodotti in ogni fase e vedere come questi cambiassero nel tempo. Nakamura, Harano e il team hanno trascorso oltre 10 anni su questo problema, e hanno sviluppato un metodo chiamato microscopia elettronica molecolare.

"Era un problema di due parti, " disse Harano. "Su larga scala, c'era una sfida ingegneristica per combinare un microscopio elettronico ad alta risoluzione unico con un sensore di imaging veloce e sensibile per l'imaging video continuo; mentre su piccola scala, abbiamo dovuto escogitare un modo per catturare le molecole di interesse e tenerle in posizione in modo che la telecamera potesse catturare l'azione".

Per isolare e fissare particolari molecole, il team ha utilizzato un nanotubo di carbonio appositamente modificato. Ciò bloccherebbe una molecola di passaggio e la manterrebbe in posizione, ma soprattutto, non interferirebbe con le reazioni di quella molecola. Per di qua, ogni fase della reazione avverrebbe sulla punta del nanotubo, che a sua volta era tenuto in posizione nel punto focale del microscopio elettronico. I dati risultanti possono essere trasformati in video in tempo reale delle reazioni.

"Ciò che ci ha sorpreso molto all'inizio è stato che il nostro piano ha funzionato davvero. È stata una sfida complessa, ma abbiamo visualizzato per la prima volta questi video molecolari nel 2013, " disse Harano. "Tra allora e ora, abbiamo lavorato per trasformare il concetto in uno strumento utile. Il nostro primo successo è stato visualizzare e descrivere una molecola a forma di cubo, che è una forma intermedia cruciale che si verifica durante la sintesi MOF. Ci è voluto un anno per convincere i nostri revisori che ciò che abbiamo trovato è reale".

Questo è solo il primo passo verso la capacità di ottenere il controllo sulla sintesi chimica in modo preciso e controllato, un termine che i ricercatori chiamano "sintesi razionale". È importante osservare i dettagli delle reazioni man mano che progrediscono, in modo che possano essere efficacemente decodificate. Il sogno di 200 anni fa era vedere un atomo; il sogno ora è controllare le molecole per creare cose come minerali sintetici per la costruzione, o anche nuovi farmaci per salvare vite.