Gli scienziati sono riusciti a "filmare" le reazioni chimiche intermolecolari, utilizzando il fascio di elettroni di un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) come strumento di imaging stop-frame. Hanno anche scoperto che il fascio di elettroni può essere sintonizzato simultaneamente per stimolare reazioni chimiche specifiche utilizzandolo come fonte di energia e come strumento di imaging.

Questa ricerca, che mostra reazioni chimiche che avvengono in tempo reale al centomilionesimo di centimetro, ha il potenziale per rivoluzionare lo studio e lo sviluppo di nuovi materiali. Potrebbe aiutare a rispondere ad alcune delle domande più fondamentali e impegnative della scienza chimica; come il modo in cui le molecole reagiscono tra loro a livello atomistico; cosa spinge la formazione di un prodotto invece di un altro; così come aiutare la scoperta di nuove reazioni chimiche.

Il team multinazionale di esperti del Regno Unito, Germania e Russia, era guidato da Andrei Khlobystov, un professore di nanomateriali e direttore del Centro di ricerca su nanoscala e microscala dell'Università di Nottingham. Lo studio:"Filtraggio stop-frame e scoperta di reazioni a livello di singola molecola mediante microscopia elettronica a trasmissione" è stato pubblicato in ACS Nano , una rivista di punta di nanoscienza e nanotecnologia e selezionata come ACS Editor's Choice per il suo potenziale di ampio interesse pubblico.

Il professor Khlobystov ha dichiarato:"Si tratta di una svolta scientifica significativa. Abbiamo trasformato il modo in cui usiamo TEM - da scattare immagini fisse a uno strumento per filmare e stimolare reazioni chimiche. È la prima volta che siamo stati in grado di osservare le reazioni chimiche a questo livello e osservare il destino delle molecole mentre avvengono le reazioni chimiche, dalle molecole di partenza fino al prodotto".

La ricerca è stata condotta da esperti in chimica sintetica e teorica, materiali e microscopia elettronica e si basa sul concetto del professor Khlobystov di nano provette di carbonio (le provette più piccole del mondo, Guinness dei primati 2005), dove il nanotubo funge da contenitore per le molecole. Il suo lavoro pionieristico sui nanocontenitori di carbonio e sui nanoreattori sta già portando a nuovi modi di dirigere l'assemblaggio molecolare e studiare le reazioni chimiche.

La ricerca nel Regno Unito è stata condotta in collaborazione con Elena Besley, un professore di chimica computazionale teorica e il suo team di ricercatori che lavorano nel Computational Nanoscience Group presso l'Università di Nottingham.

Il professor Besley ha detto:"Approfondendo i più piccoli elementi costitutivi chimici della materia, il nostro studio sfrutta l'"effetto osservatore" e stabilisce una metodologia completamente nuova per lo studio delle reazioni chimiche. Dimostriamo che il fascio di elettroni, agendo contemporaneamente come una sonda di imaging e una fonte di energia per guidare le trasformazioni chimiche, offre un nuovo strumento per lo studio delle reazioni chimiche delle singole molecole con risoluzione atomica, che è vitale per la scoperta di nuovi meccanismi di reazione e una sintesi futura più efficiente."

Sintesi e preparazione di nuovi materiali

Ci sono ancora molti problemi nella sintesi e preparazione dei materiali e bisogna capire i processi che li creano, come reagiscono esattamente le molecole, come si rompono e si formano i legami chimici.

Il professor Khlobystov ha dichiarato:"Abbiamo chiamato il nostro metodo ChemTEM perché è il modo più diretto di studiare le reazioni chimiche:il fascio di elettroni fornisce quantità ben definite di energia direttamente agli atomi all'interno della molecola e quindi innesca una reazione chimica, durante l'imaging continuo delle trasformazioni molecolari, fotogramma per fotogramma nello spazio diretto e in tempo reale. Possiamo scoprire nuove reazioni chimiche e creare strutture chimiche su misura giocando con le condizioni del TEM, ad esempio l'energia del fascio di elettroni.

"Ora siamo in grado di osservare come singole molecole si uniscono per formare nanonastri di grafene e polimeri. Possiamo quindi guidare la reazione nella direzione in cui vogliamo formare il materiale che vogliamo, e guarda questo accadere in tempo reale. Ad esempio, stiamo già guardando alla prossima generazione di materiali molecolari bidimensionali complessi per applicazioni elettroniche oltre il grafene".

Abbracciare l'"effetto osservatore"

In microscopia si investe molto nel ridurre l'impatto della luce o del fascio di elettroni - il cosiddetto effetto osservatore - sul campione per garantire che le immagini rappresentino strutture veramente incontaminate, non influenzato dal processo di misurazione.

Il team di ricerca ha utilizzato l'"effetto osservatore" per trasformare il TEM in uno strumento di imaging e una fonte di energia per guidare le reazioni chimiche.

Il fascio di elettroni penetra nelle pareti atomicamente sottili dei nanotubi di carbonio e consente l'imaging risolta nel tempo delle reazioni a livello di singolo atomo. Attivato dal fascio di elettroni, l'energia e la dose che possono essere impostate con precisione, avvengono le trasformazioni chimiche delle molecole.