I chimici della Syracuse University hanno escogitato un nuovo modo innovativo per visualizzare e monitorare le reazioni chimiche in tempo reale.

I membri del Maye Research Group del Dipartimento di Chimica hanno progettato un nanomateriale che cambia colore quando interagisce con ioni e altre piccole molecole durante una reazione chimica.

Oggetto di un articolo in ACS Nano (Società chimica americana, 2016), la loro scoperta consente ai ricercatori di monitorare le reazioni qualitativamente ad occhio nudo e quantitativamente con una semplice strumentazione.

"In molti casi, una reazione chimica tra le molecole avviene in una soluzione che è incolore e trasparente o si presenta come una sospensione lattiginosa, "dice Mathew Maye, professore associato di chimica e capogruppo dell'esperimento. "L'unico modo per sapere se si è verificata una reazione o meno è eseguire un'analisi approfondita dopo una purificazione in più fasi".

Nel tentativo di capire perché e quanto velocemente si verifica una reazione (se non del tutto), il gruppo ha progettato una nanoparticella che reagisce con i sottoprodotti della reazione. "Quando si verificano le reazioni, la nanoparticella emette fluorescenza di un colore diverso, permettendoci di misurare la cinetica a occhio, invece che con uno spettrometro da un milione di dollari, "May dice.

Al centro del lavoro del gruppo c'è una classe emergente di nanomateriali chiamati perovskiti. Una perovskite è una classe speciale di cristallo, tipicamente costituito da ioni metallici e ossigeno. Le perovskiti del gruppo sono composte da ioni metallici e un alogenuro.

Alla nanoscala, le perovskiti sono fotoluminescenti, il che significa che emettono luce quando "eccitati" da un laser o una lampada. Che i colori che emettono sono determinati, in parte, per le loro concentrazioni di ioni rende le perovskiti uniche tra i nanomateriali.

Li rende anche maturi per l'applicazione. I gruppi di ricerca nell'industria e nel mondo accademico vedono il potenziale per le perovskiti nelle celle solari, diodi emettitori di luce, laser e fotorivelatori.

Tennyson Doane, un ricercatore post-dottorato nel gruppo, è l'autore corrispondente dell'articolo con Maye. "Sapevamo del potenziale di questi materiali nella ricerca energetica, " Dice Doane. "Siamo interessati anche all'energia, e ha avuto questa folle idea di provare a usare i rapporti di concentrazione di ioni delle perovskiti per rilevare gli ioni in soluzione, e poi magari monitorare la reazione chimica, cosa molto difficile da fare. Non avevamo idea se avrebbe funzionato o no, quindi abbiamo deciso di provarci".

Il gruppo ha iniziato lavorando con un sistema molto semplice che prevedeva reazioni organiche di molecole chiamate alogenuri organici. Quando queste molecole reagiscono, spesso formando doppi legami carbonio-carbonio in quella che è nota come reazione di eliminazione, l'alogenuro viene rilasciato. (L'alogenuro è un bromo, ione cloro o iodio.) Tipicamente, l'alogenuro è un irrilevante sottoprodotto della reazione, fino ad ora.

"La nostra tecnologia ci consente di rilevare con precisione il rilascio di alogenuri, " dice Kevin Cruz '18, laureato in chimica e coautore dell'articolo. "Quando inizia la reazione, la perovskite emette fluorescenza rosso vivo. Quando l'alogenuro viene rilasciato, o scambiati nella reazione chimica, la nostra particella lo assorbe, e il colore della fluorescenza cambia proporzionalmente alla concentrazione di alogenuro, dal rosso all'arancione al giallo al verde. Quando il colore è verde, la reazione è finita".

Spiega Doane:"A ciò si aggiunge il fatto che la concentrazione di perovskite è molto bassa, devi solo aggiungere una piccola quantità alla reazione per l'osservazione. Siamo stati in grado di calibrare il sistema in modo molto accurato, e da questo può misurare la cinetica chimica in un nuovo modo 'colorimetrico'."

Maye non fa altro che elogiare Doane e Cruz, affermando che ciò che hanno realizzato in un breve lasso di tempo e con un budget ridotto è "incredibile".

"Nessuno, proprio adesso, sta pensando di monitorare una reazione chimica in questo modo, " Maye aggiunge. "Il nostro team è in grado di misurare la cinetica chimica molto precisa monitorando il cambiamento di colore con nient'altro che una lampadina ultravioletta o uno spettrometro a fluorescenza economico".

Oltre a Doane, Cruz e Maye, l'articolo è stato co-scritto da Kayla Ryan G'15, dottorato di ricerca gli studenti Laxmikant Pathade e Huidong Zang e Mircea Cotlet presso il Center for Functional Nanomaterials presso il Brookhaven National Laboratory, ognuno dei quali ha effettuato importanti misurazioni nello studio.

La tecnologia del gruppo è in attesa di brevetto presso l'Università. Maye afferma che stanno testando l'applicabilità dell'approccio a un'ampia libreria di reazioni chimiche e la sua efficacia nel misurare basse concentrazioni di ioni e molecole reattive.

"Chi lo sa, forse in futuro, ogni chimico utilizzerà una perovskite di Siracusa per monitorare le proprie reazioni, " Aggiunge.