照妖鏡納米“相機(jī)”：讓反應(yīng)歷程無(wú)處遁形 分子級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在新材料的研發(fā)制備過(guò)程中，觀察其形成的完整化學(xué)試驗(yàn)過(guò)程至關(guān)重要，無(wú)論是中間過(guò)程形成的不穩(wěn)定的化合物還是最終試驗(yàn)形成的“備胎”產(chǎn)物，都有研究?jī)r(jià)值。

對(duì)化學(xué)過(guò)程中的宏觀和微觀變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，能對(duì)反應(yīng)進(jìn)程與終點(diǎn)進(jìn)行合理調(diào)控與確認(rèn)，從而達(dá)到合成目標(biāo)產(chǎn)物的目的。在研制新材料的過(guò)程中，比如新有機(jī)化合物的合成，會(huì)有各種各樣的碳碳鍵組合方式，但在碳碳鍵的組合過(guò)程中有些變化就可逆，有些碳碳鍵組合就很穩(wěn)定，如果能夠在微觀層面進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，就能夠深入觸達(dá)到化學(xué)反應(yīng)合成過(guò)程的核心。

但是在一些化合物的制備過(guò)程中，一些活躍的化學(xué)反應(yīng)除了其開始原料和最終產(chǎn)物表現(xiàn)穩(wěn)定，但中間的反應(yīng)過(guò)程劇烈化合物極其多變，了解和觀測(cè)非常困難。

近日英國(guó)劍橋大學(xué)一個(gè)團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)強(qiáng)大的工具——納米相機(jī)，用以實(shí)時(shí)觀測(cè)一些化學(xué)反應(yīng)中間的過(guò)程。

分子級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，理論產(chǎn)物無(wú)處遁形

這個(gè)微型照相機(jī)，是用叫作瓜膠（CB）的“分子膠”將微小的半導(dǎo)體納米晶體和金納米顆粒結(jié)合起來(lái)，在研究某個(gè)化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候，將其放入待研究的分子反應(yīng)溶液中，這些成分在水里幾秒鐘自我組裝成為一個(gè)穩(wěn)定的強(qiáng)大的工具，進(jìn)行監(jiān)控化學(xué)反應(yīng)。

這個(gè)被包圍的小納米相機(jī)中的半導(dǎo)體會(huì)觀察光催化和跟蹤光誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移，類似于光合作用中的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，而這個(gè)收集光電子的過(guò)程會(huì)被金納米粒子傳感器和光譜技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

與此前的試驗(yàn)相比，科研人員可以用納米相機(jī)觀察到此前只存在理論研究中的化合物。新型納米相機(jī)打開了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的化合物世界，未來(lái)這種材料可以用于研究一些功能豐富的潛在化合物，比如改善光催化和光伏可再生能源。

在實(shí)際的科研中，研究團(tuán)隊(duì)分享為了開發(fā)新材料，經(jīng)常需要將不同的化學(xué)物質(zhì)組合在一起，想要得到性能優(yōu)良的混合納米材料是很困難的，大部分的試驗(yàn)最終會(huì)不受控制或得到一些性質(zhì)不穩(wěn)定的材料。研究人員通過(guò)他們創(chuàng)造的界面自限聚集過(guò)程來(lái)控制這些納米粒子的組裝，該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生與光相互作用的可滲透且穩(wěn)定的混合材料。

在分子層面，大自然中各種化合物物質(zhì)通過(guò)自身的化學(xué)性質(zhì)限制一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的集合生成，在實(shí)驗(yàn)室中去模擬這些化學(xué)全生命過(guò)程是非常困難，耗時(shí)長(zhǎng)、成本貴，甚至有些化合物的生成無(wú)法通過(guò)檢測(cè)儀器監(jiān)測(cè)觀察。

這個(gè)新型的納米相機(jī)組裝非常簡(jiǎn)單，但功能又非常強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可以保持?jǐn)?shù)周。連接粒子和半導(dǎo)體的瓜膠，與半導(dǎo)體納米晶體和金納米粒子都有強(qiáng)烈相互作用，以前，在沒有量子點(diǎn)的情況下，當(dāng)金納米粒子與分子膠混合時(shí)，其組分會(huì)無(wú)限聚集并從溶液中脫落。新開發(fā)的策略，使得這些納米結(jié)構(gòu)的組裝過(guò)程互相制約，半導(dǎo)體－金屬混合材料會(huì)在試驗(yàn)的過(guò)程中限制自己的大小和形狀。

當(dāng)研究人員將納米相機(jī)運(yùn)用在試驗(yàn)中，使用光譜學(xué)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)，他們能夠觀察自由基種類的形成以及它們組合的產(chǎn)物，如其中兩個(gè)自由基形成可逆的碳碳鍵，這個(gè)自由基以前都是停留在理論推導(dǎo)的過(guò)程，但從未被觀察到。

研究人員稱納米相機(jī)提供了同時(shí)誘導(dǎo)和觀察光化學(xué)反應(yīng)的機(jī)會(huì)，半導(dǎo)體和電漿子納米晶體的全部潛力現(xiàn)在可以被探索。它為化學(xué)反應(yīng)成像和通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行快照打開了許多新的可能性。

簡(jiǎn)單的設(shè)置讓研究人員告別了以前復(fù)雜、昂貴的方法來(lái)獲得相同的結(jié)果。據(jù)悉，這個(gè)平臺(tái)將開啟一系列廣泛的試驗(yàn)，包括許多對(duì)可持續(xù)技術(shù)至關(guān)重要的材料如電池應(yīng)用的電極界面和碳碳鍵形成的機(jī)制等。

光譜儀：“描繪”首與尾反應(yīng)歷程

化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，常常伴隨著多種副反應(yīng)的發(fā)生，且反應(yīng)過(guò)程中常生成多種中間產(chǎn)物，這給科研人員的研究帶來(lái)很大的工作量?，F(xiàn)下，光譜儀和色譜儀是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)最常用的方式，可以對(duì)一些有機(jī)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行記錄，以揭示化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的微觀機(jī)理、反應(yīng)歷程等。

在有機(jī)分析科學(xué)領(lǐng)域，科研人員運(yùn)用光譜儀和色譜儀對(duì)反應(yīng)進(jìn)程和終點(diǎn)進(jìn)行合理調(diào)控，通過(guò)研究反應(yīng)體系中反應(yīng)物、中間體和產(chǎn)物來(lái)推斷有機(jī)反應(yīng)機(jī)理，調(diào)控有機(jī)反應(yīng)進(jìn)程，最終實(shí)現(xiàn)提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)物質(zhì)量的效果。

比如可以通過(guò)觀察反應(yīng)物和產(chǎn)物隨時(shí)間的變化提高反應(yīng)的區(qū)域選擇性，從而優(yōu)化反應(yīng)，也可以在藥物生產(chǎn)中阻止將可能改變其藥理活性反應(yīng)的發(fā)生，排除和避免副反應(yīng)的發(fā)生等。

對(duì)于一些新興材料領(lǐng)域的研究，已有的反應(yīng)監(jiān)測(cè)方法可能會(huì)滯后合成化學(xué)的發(fā)展，就需要懂痛點(diǎn)與技術(shù)的科研人員自主進(jìn)行新方法的研究，更新實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。新型納米相機(jī)就是一個(gè)很好的拓展研究例子，利用技術(shù)發(fā)展中的納米技術(shù)方法，將微觀層面的反應(yīng)變化能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)科研人員的化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程研究帶來(lái)了很大的幫助。

我們使用的每種新合成材料，合成藥物等，都是經(jīng)過(guò)科研工作者的千百次試驗(yàn)

才能得到，微小的發(fā)明進(jìn)步對(duì)于行外人來(lái)說(shuō)就是看熱鬧，無(wú)法感同身受那種變化與喜悅，而對(duì)于行內(nèi)人來(lái)說(shuō)就是工作、研究質(zhì)的飛躍。拿生命科學(xué)領(lǐng)域的爆炸性新聞來(lái)說(shuō)，DeepMind 的Al phaFold2模型，幾乎將人類的98.5%的蛋白質(zhì)全部預(yù)測(cè)了一遍，科研人員在此基礎(chǔ)上可以愉快地深入探索蛋白質(zhì)中的生命密碼，但是行業(yè)外的人根本無(wú)法get到Al phaFold2模型工具究竟為蛋白質(zhì)的研究帶來(lái)了什么。

回到納米相機(jī)的研究中，新型的納米相機(jī)在化學(xué)反應(yīng)的微觀層面上可以獲取光催化和跟蹤光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移的過(guò)程，革新了以前只存在理論中的化合產(chǎn)物事實(shí)，研究人員只需要簡(jiǎn)單地操作就可以完成這個(gè)微觀層面的深入觀察。而長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這個(gè)納米相機(jī)對(duì)新型化合物的發(fā)現(xiàn)覆蓋領(lǐng)域巨大，有點(diǎn)像開盲盒，一個(gè)微小的技術(shù)變化背后，你不知道會(huì)因?yàn)樗谖磥?lái)打開什么新驚喜。在新型化合物的制備過(guò)程中，科研研究與創(chuàng)新技術(shù)一直都是螺旋同步增長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，研究不止，配套的革新技術(shù)就會(huì)不止，兩者同向而生，生生不息。