06.09.2021 - University of Cambridge

Nano-'Kamera' aus molekularem Klebstoff ermöglicht Echtzeit-Überwachung chemischer Reaktionen

"Wir waren überrascht, wie leistungsfähig dieses neue Werkzeug ist, wenn man bedenkt, wie einfach es herzustellen ist"

Forscher haben eine winzige, mit "molekularem Klebstoff" zusammengehaltene Kamera gebaut, mit der sie chemische Reaktionen in Echtzeit beobachten können.

Das von einem Team der Universität Cambridge hergestellte Gerät kombiniert winzige Halbleiter-Nanokristalle, sogenannte Quantenpunkte, und Gold-Nanopartikel mit einem molekularen Klebstoff namens Cucurbituril (CB). Wenn die Komponenten zusammen mit dem zu untersuchenden Molekül in Wasser gegeben werden, bauen sie sich in Sekundenschnelle zu einem stabilen, leistungsstarken Instrument zusammen, das die Echtzeitüberwachung chemischer Reaktionen ermöglicht.

Die Kamera fängt das Licht in den Halbleitern ein, wodurch Elektronentransferprozesse wie bei der Photosynthese ausgelöst werden, die mit Hilfe von eingebauten Goldnanopartikelsensoren und spektroskopischen Techniken überwacht werden können. Mit der Kamera konnten sie chemische Verbindungen beobachten, die zuvor zwar theoretisch beschrieben, aber nicht direkt beobachtet worden waren.

Die Plattform könnte zur Untersuchung eines breiten Spektrums von Molekülen für eine Vielzahl potenzieller Anwendungen eingesetzt werden, z. B. zur Verbesserung der Photokatalyse und der Photovoltaik für erneuerbare Energien. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Die Natur steuert den Zusammenbau komplexer Strukturen auf molekularer Ebene durch selbstbegrenzende Prozesse. Die Nachahmung dieser Prozesse im Labor ist jedoch in der Regel zeitaufwändig, teuer und von komplexen Verfahren abhängig.

"Um neue Materialien mit überlegenen Eigenschaften zu entwickeln, kombinieren wir oft verschiedene chemische Substanzen miteinander, um ein Hybridmaterial zu erhalten, das die gewünschten Eigenschaften aufweist", so Professor Oren Scherman vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, der die Forschung leitete. "Die Herstellung dieser hybriden Nanostrukturen ist jedoch schwierig, und oft kommt es zu unkontrolliertem Wachstum oder zu instabilen Materialien.

Die neue Methode, die Scherman und seine Kollegen vom Cavendish Laboratory in Cambridge und vom University College London entwickelt haben, verwendet Cucurbituril - einen molekularen Klebstoff, der sowohl mit Halbleiter-Quantenpunkten als auch mit Gold-Nanopartikeln stark wechselwirkt. Die Forscher nutzten kleine Halbleiter-Nanokristalle, um den Zusammenschluss größerer Nanopartikel durch einen Prozess zu steuern, den sie als "interfacial self-limiting aggregation" bezeichneten. Der Prozess führt zu durchlässigen und stabilen Hybridmaterialien, die mit Licht interagieren. Die Kamera wurde eingesetzt, um die Photokatalyse zu beobachten und den lichtinduzierten Elektronentransfer zu verfolgen.

"Wir waren überrascht, wie leistungsfähig dieses neue Werkzeug ist, wenn man bedenkt, wie einfach es zu montieren ist", sagt Erstautor Dr. Kamil Sokołowski, ebenfalls vom Fachbereich Chemie.

Um ihre Nanokamera herzustellen, fügte das Team die einzelnen Komponenten zusammen mit dem zu beobachtenden Molekül bei Raumtemperatur in Wasser ein. Wurden zuvor Goldnanopartikel mit dem molekularen Klebstoff gemischt, ohne dass Quantenpunkte vorhanden waren, aggregierten die Komponenten unbegrenzt und fielen aus der Lösung. Mit der von den Forschern entwickelten Strategie vermitteln die Quantenpunkte jedoch den Zusammenbau dieser Nanostrukturen, so dass die Halbleiter-Metall-Hybride ihre eigene Größe und Form kontrollieren und begrenzen. Darüber hinaus bleiben diese Strukturen über Wochen stabil.

"Diese selbstbegrenzende Eigenschaft war überraschend und nichts, was wir erwartet hatten", sagt Co-Autorin Dr. Jade McCune, ebenfalls vom Fachbereich Chemie. "Wir fanden heraus, dass die Aggregation einer nanopartikulären Komponente durch die Zugabe einer anderen nanopartikulären Komponente kontrolliert werden kann."

Als die Forscher die Komponenten miteinander vermischten, setzte das Team die Spektroskopie ein, um chemische Reaktionen in Echtzeit zu beobachten. Mit der Kamera konnten sie die Bildung von radikalen Spezies - ein Molekül mit einem ungepaarten Elektron - und die Produkte ihres Zusammenbaus beobachten, wie z. B. sigma-dimere Viologenspezies, bei denen zwei Radikale eine reversible Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung eingehen. Die letztgenannten Spezies wurden zwar theoretisch beschrieben, aber nie beobachtet.

"Die Menschen haben ihr ganzes Berufsleben damit verbracht, Teile der Materie auf kontrollierte Weise zusammenzufügen", sagte Scherman, der auch Direktor des Melville-Labors ist. "Diese Plattform wird ein breites Spektrum von Prozessen erschließen, darunter viele Materialien und chemische Prozesse, die für nachhaltige Technologien wichtig sind. Das gesamte Potenzial von Halbleiter- und plasmonischen Nanokristallen kann nun erforscht werden, und es besteht die Möglichkeit, photochemische Reaktionen gleichzeitig auszulösen und zu beobachten."

"Diese Plattform ist ein wirklich großer Werkzeugkasten, wenn man bedenkt, wie viele Metall- und Halbleiterbausteine jetzt mit Hilfe dieser Chemie miteinander gekoppelt werden können - sie eröffnet viele neue Möglichkeiten für die Abbildung chemischer Reaktionen und die Erkennung durch die Aufnahme von Schnappschüssen überwachter chemischer Systeme", so Sokołowski. "Die Einfachheit des Aufbaus bedeutet, dass Forscher keine komplexen, teuren Methoden mehr benötigen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen."

Die Forscher des Scherman-Labors arbeiten derzeit an der Weiterentwicklung dieser Hybride in Richtung künstlicher photosynthetischer Systeme und (Foto-)Katalyse, bei denen Elektronentransferprozesse direkt in Echtzeit beobachtet werden können. Das Team untersucht auch die Mechanismen der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung sowie Elektrodenschnittstellen für Batterieanwendungen.

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