Nano “cámara” fabricada con pegamento molecular permite el seguimiento de reacciones químicas

Investigadores han creado una cámara diminuta, unida con “pegamento molecular” que les permite observar reacciones químicas en tiempo real.

El dispositivo, fabricado por un equipo de la Universidad de Cambridge, combina diminutos nanocristales semiconductores llamados puntos cuánticos y nanopartículas de oro utilizando un pegamento molecular llamado cucurbituril (CB).

Cuando se agrega al agua con la molécula a estudiar, los componentes se autoensamblan en segundos en una herramienta estable y poderosa que permite el monitoreo en tiempo real de reacciones químicas.

La cámara capta luz dentro de los semiconductores, induciendo procesos de transferencia de electrones como los que ocurren en la fotosíntesis, que se pueden monitorear utilizando sensores de nanopartículas de oro incorporados y técnicas espectroscópicas.

Pudieron usar la cámara para observar especies químicas que habían sido teorizadas previamente pero no observadas directamente.

La plataforma podría usarse para estudiar una amplia gama de moléculas para una variedad de aplicaciones potenciales, como la mejora de la fotocatálisis y la energía fotovoltaica para energías renovables.

La naturaleza controla los conjuntos de estructuras complejas a escala molecular mediante procesos autolimitantes.

Sin embargo, imitar estos procesos en el laboratorio suele llevar mucho tiempo, es caro y depende de procedimientos complejos.

“Para desarrollar nuevos materiales con propiedades superiores, a menudo combinamos diferentes especies químicas para obtener un material híbrido que tenga las propiedades que queremos“, dijo el profesor Oren Scherman del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, quien dirigió la investigación.

“Pero hacer estas nanoestructuras híbridas es difícil y, a menudo, se termina con un crecimiento descontrolado o con materiales inestables“.

El nuevo método que desarrollaron Scherman y sus colegas del Laboratorio Cavendish de Cambridge y el University College de Londres utiliza cucurbituril, un pegamento molecular que interactúa fuertemente con puntos cuánticos semiconductores y nanopartículas de oro.

Los investigadores utilizaron pequeños nanocristales semiconductores para controlar el ensamblaje de nanopartículas más grandes a través de un proceso que acuñaron como agregación autolimitante interfacial.

El proceso conduce a materiales híbridos permeables y estables que interactúan con la luz.

La cámara se utilizó para observar la fotocatálisis y rastrear la transferencia de electrones inducida por la luz.

“Nos sorprendió lo poderosa que es esta nueva herramienta, considerando lo sencillo que es de ensamblar“, dijo el primer autor, el Dr. Kamil Sokołowski, también del Departamento de Química.

Para hacer su nanocámara, el equipo agregó los componentes individuales, junto con la molécula que querían observar, al agua a temperatura ambiente.

Anteriormente, cuando las nanopartículas de oro se mezclaban con el pegamento molecular en ausencia de puntos cuánticos, los componentes experimentaban una agregación ilimitada y se salían de la solución.

Sin embargo, con la estrategia desarrollada por los investigadores, los puntos cuánticos median el ensamblaje de estas nanoestructuras para que los híbridos semiconductor-metal controlen y limiten su propio tamaño y forma.

Además, estas estructuras se mantienen estables durante semanas.

“Esta propiedad autolimitante fue sorprendente, no era nada de lo que esperábamos ver“, dijo el coautor, el Dr. Jade McCune, también del Departamento de Química.

“Descubrimos que la agregación de un componente nanoparticulado podría controlarse mediante la adición de otro componente nanoparticulado”.

Cuando los investigadores mezclaron los componentes, el equipo utilizó la espectroscopia para observar las reacciones químicas en tiempo real.

Usando la cámara, pudieron observar la formación de especies de radicales, una molécula con un electrón desapareado, y productos de su ensamblaje, como las especies de viológeno dimérico sigma, donde dos radicales forman un enlace carbono-carbono reversible.

Se había teorizado sobre esta última especie, pero nunca se había observado.

“La gente ha pasado toda su carrera consiguiendo que los trozos de materia se unan de manera controlada”, dijo Scherman, quien también es Director del Laboratorio Melville.

“Esta plataforma desbloqueará una amplia gama de procesos, incluidos muchos materiales y químicos que son importantes para las tecnologías sostenibles.

Ahora se puede explorar todo el potencial de los nanocristales plasmónicos y semiconductores, lo que brinda la oportunidad de inducir y observar simultáneamente reacciones fotoquímicas “.

“Esta plataforma es una caja de herramientas realmente grande considerando la cantidad de bloques de construcción de metal y semiconductores que ahora se pueden acoplar usando esta química; abre muchas nuevas posibilidades para la obtención de imágenes de reacciones químicas y la detección mediante la toma de instantáneas de los sistemas químicos monitoreados“, dijo Sokołowski.

“La simplicidad de la configuración significa que los investigadores ya no necesitan métodos complejos y costosos para obtener los mismos resultados“.

Los investigadores del laboratorio de Scherman están trabajando actualmente para desarrollar aún más estos híbridos hacia sistemas fotosintéticos artificiales y (foto) catálisis donde los procesos de transferencia de electrones se pueden observar directamente en tiempo real.

El equipo también está buscando mecanismos de formación de enlaces carbono-carbono, así como interfaces de electrodos para aplicaciones de baterías.

Fuente: Nature