«С 2007 года физики смогли осуществить мечту, которой более 200 лет, – способность видеть отдельный атом», – сказал профессор проекта Эйити Накамура. "Но на этом все не закончилось. Наша исследовательская группа вышла за рамки этой мечты и создала видеоролики с молекулами, чтобы увидеть химические реакции в беспрецедентных деталях."
Накамура разделяет смелые амбиции с учеными всего мира по разработке новых и полезных материалов для всего мира. Для этого его команда из химического факультета Токийского университета хочет научиться управлять различными химическими процессами, ответственными за синтез материалов.
Однако химический синтез – вещь сложная для изучения.
«Обычные аналитические методы, такие как спектроскопия и кристаллография, дают нам полезную информацию о результатах процессов, но только намекают на то, что происходит во время них», – пояснил Кодзи Харано, доцент проекта в группе Накамура. «Например, нас интересуют кристаллы металлоорганического каркаса (MOF). Большинство исследований рассматривают их рост, но упускают из виду раннюю стадию зарождения, так как ее трудно наблюдать."
Переходные стадии сложных химических реакций трудно изучать, поскольку существует множество промежуточных процессов, которые происходят между началом и окончанием большинства реакций.
В принципе, можно было увидеть отдельные этапы, но в действительности было невозможно выделить продукты на каждом этапе и увидеть, как они меняются со временем. Накамура, Харано и его команда потратили более 10 лет на решение этой проблемы и разработали метод, называемый молекулярной электронной микроскопией.
«Это была проблема из двух частей, – продолжил Харано. «В крупном масштабе стояла инженерная задача объединить электронный микроскоп с уникальным высоким разрешением с быстрым и чувствительным датчиком изображения для непрерывного видеоизображения; в то время как в мелком масштабе нам нужно было разработать способ захвата интересующих молекул. и удерживайте их на месте, чтобы камера могла уловить действие."
Чтобы изолировать и обезопасить определенные молекулы, команда использовала специально модифицированную углеродную нанотрубку.
Это зацепит проходящую молекулу и удержит ее на месте, но, что особенно важно, не будет мешать реакциям этой молекулы. Таким образом, каждая стадия реакции будет происходить на кончике нанотрубки, которая, в свою очередь, удерживается на месте в фокусе электронного микроскопа. Полученные данные можно превратить в видео реакций в реальном времени.
"Что нас очень удивило вначале, так это то, что наш план действительно сработал. Это была сложная задача, но мы впервые визуализировали эти молекулярные видео в 2013 году », – сказал Харано. «С тех пор мы работали над тем, чтобы превратить эту концепцию в полезный инструмент. Нашим первым успехом была визуализация и описание молекулы в форме куба, которая является важной промежуточной формой, возникающей во время синтеза MOF. Потребовался год, чтобы убедить наших рецензентов в том, что мы обнаружили, что это реально."
Это лишь первый шаг к возможности получить контроль над химическим синтезом точным и контролируемым образом – термин, который исследователи называют «рациональным синтезом»."Важно следить за деталями реакций по мере их развития, чтобы их можно было эффективно реконструировать. 200 лет назад мечтой было увидеть атом, а теперь мечта – управлять им, чтобы создавать такие вещи, как синтетические минералы для строительства или даже новые лекарства, которые помогут спасти жизни.