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照妖镜纳米“相机”:让反应历程无处遁形

脑极体 2021-09-24 09:49 发文

在新材料的研发制备过程中,观察其形成的完整化学试验过程至关重要,无论是中间过程形成的不稳定的化合物还是最终试验形成的“备胎”产物,都有研究价值。

对化学过程中的宏观和微观变量进行动态监测,能对反应进程与终点进行合理调控与确认,从而达到合成目标产物的目的。在研制新材料的过程中,比如新有机化合物的合成,会有各种各样的碳碳键组合方式,但在碳碳键的组合过程中有些变化就可逆,有些碳碳键组合就很稳定,如果能够在微观层面进行监测研究,就能够深入触达到化学反应合成过程的核心。

但是在一些化合物的制备过程中,一些活跃的化学反应除了其开始原料和最终产物表现稳定,但中间的反应过程剧烈化合物极其多变,了解和观测非常困难。

近日英国剑桥大学一个团队制造了一个强大的工具——纳米相机,用以实时观测一些化学反应中间的过程。

分子级实时监测,理论产物无处遁形

这个微型照相机,是用叫作瓜胶(CB)的“分子胶”将微小的半导体纳米晶体和金纳米颗粒结合起来,在研究某个化学反应的时候,将其放入待研究的分子反应溶液中,这些成分在水里几秒钟自我组装成为一个稳定的强大的工具,进行监控化学反应。

照妖镜纳米“相机”:让反应历程无处遁形

这个被包围的小纳米相机中的半导体会观察光催化和跟踪光诱导的电子转移,类似于光合作用中的电子转移过程,而这个收集光电子的过程会被金纳米粒子传感器和光谱技术进行监测。

与此前的试验相比,科研人员可以用纳米相机观察到此前只存在理论研究中的化合物。新型纳米相机打开了化学反应过程中的化合物世界,未来这种材料可以用于研究一些功能丰富的潜在化合物,比如改善光催化和光伏可再生能源。

在实际的科研中,研究团队分享为了开发新材料,经常需要将不同的化学物质组合在一起,想要得到性能优良的混合纳米材料是很困难的,大部分的试验最终会不受控制或得到一些性质不稳定的材料。研究人员通过他们创造的界面自限聚集过程来控制这些纳米粒子的组装,该过程会产生与光相互作用的可渗透且稳定的混合材料。

在分子层面,大自然中各种化合物物质通过自身的化学性质限制一些复杂结构的集合生成,在实验室中去模拟这些化学全生命过程是非常困难,耗时长、成本贵,甚至有些化合物的生成无法通过检测仪器监测观察。

这个新型的纳米相机组装非常简单,但功能又非常强大,结构稳定可以保持数周。连接粒子和半导体的瓜胶,与半导体纳米晶体和金纳米粒子都有强烈相互作用,以前,在没有量子点的情况下,当金纳米粒子与分子胶混合时,其组分会无限聚集并从溶液中脱落。新开发的策略,使得这些纳米结构的组装过程互相制约,半导体-金属混合材料会在试验的过程中限制自己的大小和形状。

照妖镜纳米“相机”:让反应历程无处遁形

当研究人员将纳米相机运用在试验中,使用光谱学仪器实时监测化学反应,他们能够观察自由基种类的形成以及它们组合的产物,如其中两个自由基形成可逆的碳碳键,这个自由基以前都是停留在理论推导的过程,但从未被观察到。

研究人员称纳米相机提供了同时诱导和观察光化学反应的机会,半导体和电浆子纳米晶体的全部潜力现在可以被探索。它为化学反应成像和通过对监测的化学系统进行快照打开了许多新的可能性。

简单的设置让研究人员告别了以前复杂、昂贵的方法来获得相同的结果。据悉,这个平台将开启一系列广泛的试验,包括许多对可持续技术至关重要的材料如电池应用的电极界面和碳碳键形成的机制等。

光谱仪:“描绘”首与尾反应历程

化学反应是一个比较复杂的过程,常常伴随着多种副反应的发生,且反应过程中常生成多种中间产物,这给科研人员的研究带来很大的工作量。现下,光谱仪和色谱仪是实时监测化学反应最常用的方式,可以对一些有机化学反应过程进行记录,以揭示化学反应发生的微观机理、反应历程等。

在有机分析科学领域,科研人员运用光谱仪和色谱仪对反应进程和终点进行合理调控,通过研究反应体系中反应物、中间体和产物来推断有机反应机理,调控有机反应进程,最终实现提高反应的转化率以及产物质量的效果。

比如可以通过观察反应物和产物随时间的变化提高反应的区域选择性,从而优化反应,也可以在药物生产中阻止将可能改变其药理活性反应的发生,排除和避免副反应的发生等。

对于一些新兴材料领域的研究,已有的反应监测方法可能会滞后合成化学的发展,就需要懂痛点与技术的科研人员自主进行新方法的研究,更新实时监测技术。新型纳米相机就是一个很好的拓展研究例子,利用技术发展中的纳米技术方法,将微观层面的反应变化能够实时监测,对科研人员的化学实验过程研究带来了很大的帮助。

照妖镜纳米“相机”:让反应历程无处遁形

我们使用的每种新合成材料,合成药物等,都是经过科研工作者的千百次试验

才能得到,微小的发明进步对于行外人来说就是看热闹,无法感同身受那种变化与喜悦,而对于行内人来说就是工作、研究质的飞跃。拿生命科学领域的爆炸性新闻来说,DeepMind 的Al phaFold2模型,几乎将人类的98.5%的蛋白质全部预测了一遍,科研人员在此基础上可以愉快地深入探索蛋白质中的生命密码,但是行业外的人根本无法get到Al phaFold2模型工具究竟为蛋白质的研究带来了什么。

回到纳米相机的研究中,新型的纳米相机在化学反应的微观层面上可以获取光催化和跟踪光诱导电子转移的过程,革新了以前只存在理论中的化合产物事实,研究人员只需要简单地操作就可以完成这个微观层面的深入观察。而长远来看,这个纳米相机对新型化合物的发现覆盖领域巨大,有点像开盲盒,一个微小的技术变化背后,你不知道会因为它而在未来打开什么新惊喜。在新型化合物的制备过程中,科研研究与创新技术一直都是螺旋同步增长的发展过程,研究不止,配套的革新技术就会不止,两者同向而生,生生不息。

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