I ricercatori hanno realizzato una minuscola fotocamera, tenuti insieme da 'colla molecolare' che permette loro di osservare le reazioni chimiche in tempo reale.

Il dispositivo, realizzato da un team dell'Università di Cambridge, combina minuscoli nanocristalli semiconduttori chiamati punti quantici e nanoparticelle d'oro utilizzando una colla molecolare chiamata cucurbituril (CB). Quando aggiunto all'acqua con la molecola da studiare, i componenti si autoassemblano in pochi secondi in uno stabile, potente strumento che permette il monitoraggio in tempo reale delle reazioni chimiche.

La telecamera raccoglie la luce all'interno dei semiconduttori, inducendo processi di trasferimento di elettroni come quelli che si verificano nella fotosintesi, che può essere monitorato utilizzando sensori di nanoparticelle d'oro incorporati e tecniche spettroscopiche. Sono stati in grado di utilizzare la fotocamera per osservare specie chimiche che erano state precedentemente teorizzate ma non osservate direttamente.

La piattaforma potrebbe essere utilizzata per studiare un'ampia gamma di molecole per una varietà di potenziali applicazioni, come il miglioramento della fotocatalisi e del fotovoltaico per le energie rinnovabili. I risultati sono riportati sulla rivista Nanotecnologia della natura .

La natura controlla gli assemblaggi di strutture complesse su scala molecolare attraverso processi autolimitanti. Però, imitare questi processi in laboratorio di solito richiede tempo, costoso e dipendente da procedure complesse.

"Per sviluppare nuovi materiali con proprietà superiori, spesso combiniamo diverse specie chimiche insieme per ottenere un materiale ibrido che abbia le proprietà che desideriamo, ", ha affermato il professor Oren Scherman del dipartimento di chimica Yusuf Hamied di Cambridge, che ha condotto la ricerca. "Ma realizzare queste nanostrutture ibride è difficile, e spesso ti ritrovi con una crescita incontrollata o con materiali instabili".

Il nuovo metodo sviluppato da Scherman e dai suoi colleghi del Cavendish Laboratory e dell'University College London di Cambridge utilizza il cucurbituril, una colla molecolare che interagisce fortemente sia con i punti quantici dei semiconduttori che con le nanoparticelle d'oro. I ricercatori hanno utilizzato piccoli nanocristalli semiconduttori per controllare l'assemblaggio di nanoparticelle più grandi attraverso un processo che hanno coniato l'aggregazione interfacciale autolimitante. Il processo porta a materiali ibridi permeabili e stabili che interagiscono con la luce. La fotocamera è stata utilizzata per osservare la fotocatalisi e tracciare il trasferimento di elettroni indotto dalla luce.

"Siamo rimasti sorpresi di quanto sia potente questo nuovo strumento, considerando quanto sia semplice assemblare, " ha detto il primo autore Dr. Kamil Sokołowski, anche dal Dipartimento di Chimica.

Per realizzare la loro nano fotocamera, il team ha aggiunto i singoli componenti, insieme alla molecola che volevano osservare, all'acqua a temperatura ambiente. In precedenza, quando le nanoparticelle d'oro sono state mescolate con la colla molecolare in assenza di punti quantici, i componenti hanno subito un'aggregazione illimitata e sono caduti in soluzione. Però, con la strategia sviluppata dai ricercatori, i punti quantici mediano l'assemblaggio di queste nanostrutture in modo che gli ibridi metallo-semiconduttore controllino e limitino le proprie dimensioni e forma. Inoltre, queste strutture rimangono stabili per settimane.

"Questa proprietà autolimitante è stata sorprendente, non era niente che ci aspettavamo di vedere, " ha detto il co-autore Dr. Jade McCune, anche dal Dipartimento di Chimica. "Abbiamo scoperto che l'aggregazione di un componente di nanoparticelle potrebbe essere controllata attraverso l'aggiunta di un altro componente di nanoparticelle".

Quando i ricercatori hanno mescolato i componenti insieme, il team ha utilizzato la spettroscopia per osservare le reazioni chimiche in tempo reale. Usando la fotocamera, sono stati in grado di osservare la formazione di specie radicali - una molecola con un elettrone spaiato - e prodotti del loro assemblaggio come specie viologen sigma dimeriche, dove due radicali formano un legame carbonio-carbonio reversibile. Quest'ultima specie era stata teorizzata ma mai osservata.

"Le persone hanno passato tutta la loro carriera a far riunire pezzi di materia in modo controllato, " ha detto Scherman, che è anche Direttore del Laboratorio Melville. "Questa piattaforma sbloccherà una vasta gamma di processi, compresi molti materiali e sostanze chimiche importanti per le tecnologie sostenibili. È ora possibile esplorare il pieno potenziale dei semiconduttori e dei nanocristalli plasmonici, fornendo l'opportunità di indurre e osservare contemporaneamente reazioni fotochimiche".

"Questa piattaforma è davvero una grande cassetta degli attrezzi considerando il numero di elementi costitutivi di metallo e semiconduttore che ora possono essere accoppiati insieme utilizzando questa chimica:apre molte nuove possibilità per l'imaging di reazioni chimiche e il rilevamento attraverso l'acquisizione di istantanee di sistemi chimici monitorati, " ha detto Sokołowski. "La semplicità della configurazione significa che i ricercatori non hanno più bisogno di complessi, metodi costosi per ottenere gli stessi risultati."

I ricercatori del laboratorio Scherman stanno attualmente lavorando per sviluppare ulteriormente questi ibridi verso sistemi fotosintetici artificiali e (foto)catalisi in cui i processi di trasferimento di elettroni possono essere osservati direttamente in tempo reale. Il team sta anche esaminando i meccanismi di formazione del legame carbonio-carbonio e le interfacce degli elettrodi per le applicazioni delle batterie.