Видео, показывающее химические реакции в беспрецедентных деталях
Впервые исследователи снимают видео химического синтеза с атомным разрешением. Потребовалось почти 12 месяцев, чтобы убедить рецензентов в том, что они захватили, реально. Исследование может быть чрезвычайно полезным в разработке лекарств и материаловедения.
Двадцатилетняя мечта [о наблюдении отдельной молекулы в движении] стала реальностью в 2007 году. Она стала возможной благодаря одно-молекулярной флуоресцентной микроскопии и спектроскопии, которые в настоящее время хорошо известны и относительно легко применяются с помощью современного лазера, микроскопы и детекторы.
Исследователи из Токийского университета вышли за рамки этой мечты: им удалось снять видео химического синтеза с атомным разрешением.
Результаты показывают различные стадии химических процессов, которые могут помочь ученым разрабатывать химические вещества с большей точностью и контролем, чем когда-либо прежде. Исследование также может быть чрезвычайно полезным в разработке лекарств и материаловедения.
Что именно они сделали?
Традиционные аналитические методы, такие как кристаллография и спектроскопия, говорят нам, что происходит во время химического процесса. Однако переходные стадии сложных химических реакций включают в себя множество промежуточных процессов, которые происходят между началом и концом большинства реакций.
Хотя можно наблюдать отдельные этапы, невероятно сложно разделять продукты на каждом этапе и наблюдать, как они менялись со временем. Исследователи работали над этой проблемой в течение почти десятилетия, и теперь они придумали технику, названную молекулярной электронной микроскопией.
Задачу можно разделить на две части: в большом (1) и малом (2) масштабе.
Объедините быстрый и чувствительный датчик изображения с электронным микроскопом высокого разрешения для получения непрерывного видео изображения.
Захватите молекулы-мишени и удерживайте их на месте, чтобы камера могла зафиксировать действие.
Они использовали уникальную углеродную нанотрубку для разделения и защиты определенных молекул. Это включало в себя захват соседней молекулы и удержание ее на месте. Каждая стадия реакции проходила на кончике нанотрубки, которая находилась в фокусе электронного микроскопа.
Исследователи убедились, что углеродные нанотрубки не влияют на реакцию молекулы. Наконец, в 2013 году они преобразовали результаты в видеофильмы реакций в реальном времени.
С тех пор они работают над тем, чтобы превратить этот механизм в полезный инструмент. В этом исследовании они проиллюстрировали одиночные преднуклеационные кластеры в реакционной смеси металлоорганических каркасов (MOF).
Более конкретно, они обнаружили, что в формировании MOF-2 и MOF-5 участвуют два разных типа одиночных преднуклеарных кластеров. Используя электронно-микроскопический метод реального времени с атомным разрешением, состоящий из одной молекулы, они захватили небольшое количество кубов размером в одну нанометру и подобных кубу кластеров в синтезе MOF-5.
Исследователям потребовалось 12 месяцев, чтобы убедить рецензентов в том, что они запечатлели, реально. Их результаты позволят химикам синтезировать химические вещества более точным и контролируемым образом. Исследовательская группа назвала этот процесс «рациональным синтезом».
Наблюдение за каждым аспектом реакций в режиме реального времени также поможет ученым реконструировать весь процесс.
Два века назад нашей мечтой было наблюдать молекулы. И теперь, мечта состоит в том, чтобы точно манипулировать ими, чтобы производить такие вещи, как новые лекарства для спасения жизней или синтетические минералы для строительства.