使用分子胶制成的纳米相机可实时监测化学反应

研究人员制造了一个微型相机，用“分子胶”固定在一起，使他们能够实时观察化学反应。该设备由剑桥大学的一个团队制造，使用称为葫芦脲(CB)的分子胶将称为量子点的微小半导体纳米晶体和金纳米粒子结合在一起。当将要研究的分子添加到水中时，这些成分会在几秒钟内自组装成一个稳定、强大的工具，可以实时监测化学反应。

相机在半导体内收集光，诱导电子转移过程，如光合作用中发生的那些，可以使用结合的金纳米颗粒传感器和光谱技术进行监测。他们能够使用相机观察先前理论化但未直接观察到的化学物种。

该平台可用于研究各种潜在应用的广泛分子，例如改进光催化和可再生能源光伏。结果发表在《自然纳米技术》杂志上。

大自然通过自限过程在分子尺度上控制复杂结构的组装。然而，在实验室中模拟这些过程通常既耗时又昂贵，并且依赖于复杂的程序。

“为了开发具有卓越性能的新材料，我们经常将不同的化学物种结合在一起，以提出一种具有我们想要的特性的混合材料，”领导这项研究的剑桥大学优素福·哈米德化学系的奥伦·谢尔曼教授说。“但是制造这些混合纳米结构很困难，而且你经常会得到不受控制的生长或不稳定的材料。”

Scherman和他来自剑桥卡文迪什实验室和伦敦大学学院的同事开发的新方法使用葫芦脲——一种与半导体量子点和金纳米粒子强烈相互作用的分子胶。研究人员使用小型半导体纳米晶体通过他们创造的界面自限聚集过程来控制较大纳米粒子的组装。该过程导致产生与光相互作用的可渗透且稳定的混合材料。该相机用于观察光催化和跟踪光诱导电子转移。

“考虑到组装起来如此简单，我们对这种新工具的强大功能感到惊讶，”第一作者、同样来自化学系的KamilSokołowski博士说。

为了制造他们的纳米相机，该团队在室温下将各个组件以及他们想要观察的分子添加到水中。以前，当金纳米粒子在没有量子点的情况下与分子胶混合时，这些成分会发生无限聚集并从溶液中脱落。然而，根据研究人员开发的策略，量子点介导了这些纳米结构的组装，从而使半导体-金属混合物控制并限制了它们自身的尺寸和形状。此外，这些结构可以保持稳定数周。

“这种自限性是令人惊讶的，这不是我们期望看到的，”共同作者，同样来自化学系的JadeMcCune博士说。“我们发现可以通过添加另一种纳米颗粒成分来控制一种纳米颗粒成分的聚集。”

当研究人员将这些成分混合在一起时，该团队使用光谱学实时观察化学反应。使用相机，他们能够观察自由基物种(一种具有未配对电子的分子)的形成及其组装产物，例如西格玛二聚紫罗碱物种，其中两个自由基形成可逆的碳-碳键。后一种物种已被理论化，但从未被观察到。

“人们的整个职业生涯都在以可控的方式将物质聚集在一起，”同时兼任梅尔维尔实验室主任的谢尔曼说。“这个平台将开启广泛的过程，包括许多对可持续技术很重要的材料和化学。现在可以探索半导体和等离子体纳米晶体的全部潜力，提供同时诱导和观察光化学反应的机会。”

“考虑到现在可以使用这种化学方法耦合在一起的金属和半导体构件的数量，这个平台是一个非常大的工具箱——它通过拍摄受监控的化学系统的快照，为化学反应成像和传感开辟了许多新的可能性，”说索科沃夫斯基。“设置的简单性意味着研究人员不再需要复杂、昂贵的方法来获得相同的结果。”

Scherman实验室的研究人员目前正致力于进一步开发这些杂交体，以实现人工光合作用系统和(光)催化，其中可以直接实时观察电子转移过程。该团队还在研究碳-碳键形成的机制以及电池应用的电极界面。

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