Nano « caméra » – tenue avec de la colle moléculaire – Permet une surveillance en temps réel des réactions chimiques

Nano « caméra » – tenue avec de la colle moléculaire – Permet une surveillance en temps réel des réactions chimiques
Nano caméra fabriquée à l'aide de colle moléculaire

Le dispositif, fabriqué par une équipe de l’Université de Cambridge, combine de minuscules nanocristaux semi-conducteurs appelés points quantiques et des nanoparticules d’or à l’aide d’une colle moléculaire appelée cucurbiturile (CB). Lorsqu’ils sont ajoutés à l’eau avec la molécule à étudier, les composants s’auto-assemblent en quelques secondes en un outil stable et puissant qui permet le suivi en temps réel des réactions chimiques. Crédit : Université de Cambridge

Les chercheurs ont fabriqué une minuscule caméra, maintenue par une «colle moléculaire» qui leur permet d’observer les réactions chimiques en temps réel.

Le dispositif, fabriqué par une équipe de l’Université de Cambridge, combine de minuscules nanocristaux semi-conducteurs appelés points quantiques et des nanoparticules d’or à l’aide d’une colle moléculaire appelée cucurbiturile (CB). Lorsqu’ils sont ajoutés à l’eau avec la molécule à étudier, les composants s’auto-assemblent en quelques secondes en un outil stable et puissant qui permet le suivi en temps réel des réactions chimiques.

“Cette plate-forme est une très grande boîte à outils – elle ouvre de nombreuses nouvelles possibilités pour l’imagerie des réactions chimiques.” – Kamil Sokołowski

La caméra récolte la lumière dans les semi-conducteurs, induisant des processus de transfert d’électrons comme ceux qui se produisent dans la photosynthèse, qui peuvent être surveillés à l’aide de capteurs à nanoparticules d’or incorporés et de techniques spectroscopiques. Ils ont pu utiliser la caméra pour observer des espèces chimiques qui avaient été précédemment théorisées mais pas directement observées.

La plate-forme pourrait être utilisée pour étudier une large gamme de molécules pour une variété d’applications potentielles, telles que l’amélioration de la photocatalyse et du photovoltaïque pour les énergies renouvelables. Les résultats sont publiés dans le journal Nature Nanotechnologie.

La nature contrôle les assemblages de structures complexes à l’échelle moléculaire par des processus auto-limitants. Cependant, imiter ces processus en laboratoire est généralement long, coûteux et dépend de procédures complexes.

« Afin de développer de nouveaux matériaux aux propriétés supérieures, nous combinons souvent différentes espèces chimiques pour créer un matériau hybride possédant les propriétés que nous recherchons », a déclaré le professeur Oren Scherman du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, qui a dirigé la recherche. “Mais fabriquer ces nanostructures hybrides est difficile, et vous vous retrouvez souvent avec une croissance incontrôlée ou des matériaux instables.”

La nouvelle méthode développée par Scherman et ses collègues du Cavendish Laboratory et de l’University College London de Cambridge utilise le cucurbiturile, une colle moléculaire qui interagit fortement avec les points quantiques semi-conducteurs et les nanoparticules d’or. Les chercheurs ont utilisé de petits nanocristaux semi-conducteurs pour contrôler l’assemblage de nanoparticules plus grosses grâce à un processus qu’ils ont inventé l’agrégation interfaciale auto-limitante. Le processus conduit à des matériaux hybrides perméables et stables qui interagissent avec la lumière. La caméra a été utilisée pour observer la photocatalyse et suivre le transfert d’électrons induit par la lumière.

« Nous avons été surpris de la puissance de ce nouvel outil, compte tenu de la simplicité de son assemblage », a déclaré le premier auteur, le Dr Kamil Sokołowski, également du département de chimie.

Pour fabriquer leur nano caméra, l’équipe a ajouté les composants individuels, ainsi que la molécule qu’ils voulaient observer, à de l’eau à température ambiante. Auparavant, lorsque les nanoparticules d’or étaient mélangées à la colle moléculaire en l’absence de points quantiques, les composants subissaient une agrégation illimitée et tombaient en solution. Cependant, avec la stratégie développée par les chercheurs, les points quantiques interviennent dans l’assemblage de ces nanostructures afin que les hybrides semi-conducteur-métal contrôlent et limitent leur propre taille et forme. De plus, ces structures restent stables pendant des semaines.

“Cette propriété d’autolimitation était surprenante, ce n’était pas tout ce que nous nous attendions à voir”, a déclaré le co-auteur, le Dr Jade McCune, également du département de chimie. “Nous avons découvert que l’agrégation d’un composant nanoparticulaire pouvait être contrôlée par l’ajout d’un autre composant nanoparticulaire.”

Lorsque les chercheurs ont mélangé les composants, l’équipe a utilisé la spectroscopie pour observer les réactions chimiques en temps réel. À l’aide de la caméra, ils ont pu observer la formation d’espèces radicalaires – une molécule avec un électron non apparié – et les produits de leur assemblage tels que les espèces viologènes dimères sigma, où deux radicaux forment une liaison carbone-carbone réversible. Cette dernière espèce avait été théorisée mais jamais observée.

«Les gens ont passé toute leur carrière à rassembler des morceaux de matière de manière contrôlée», a déclaré Scherman, qui est également directeur du laboratoire de Melville. « Cette plate-forme débloquera un large éventail de processus, y compris de nombreux matériaux et chimies qui sont importants pour les technologies durables. Le plein potentiel des nanocristaux semi-conducteurs et plasmoniques peut désormais être exploré, offrant la possibilité d’induire et d’observer simultanément des réactions photochimiques.

“Cette plate-forme est une très grande boîte à outils compte tenu du nombre de blocs de construction métalliques et semi-conducteurs qui peuvent désormais être couplés ensemble à l’aide de cette chimie – elle ouvre de nombreuses nouvelles possibilités pour l’imagerie des réactions chimiques et la détection en prenant des instantanés des systèmes chimiques surveillés”, a déclaré Sokołowski. « La simplicité de la configuration signifie que les chercheurs n’ont plus besoin de méthodes complexes et coûteuses pour obtenir les mêmes résultats. »

Les chercheurs du laboratoire Scherman travaillent actuellement à développer davantage ces hybrides vers des systèmes photosynthétiques artificiels et (photo)catalyse où les processus de transfert d’électrons peuvent être observés directement en temps réel. L’équipe étudie également les mécanismes de formation de liaisons carbone-carbone ainsi que les interfaces d’électrodes pour les applications de batterie.

Référence : “Nanoparticle surfactants for kineticically arrêté photoactive assemblys to track light-induite electron transfer” par Kamil Sokołowski, Junyang Huang, Tamás Földes, Jade A. McCune, David D. Xu, Bart de Nijs, Rohit Chikkaraddy, Sean M. Collins, Edina Rosta, Jeremy J. Baumberg et Oren A. Scherman, 2 septembre 2021, Nature Nanotechnologie.
DOI : 10.1038 / s41565-021-00949-6

La recherche a été menée en collaboration avec le professeur Jeremy Baumberg du laboratoire Cavendish de Cambridge et le Dr Edina Rosta de l’University College de Londres. Il a été financé en partie par le Conseil de recherche en génie et en sciences physiques (EPSRC).

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