Pour la première fois, les chercheurs ont réussi à afficher des détails auparavant inaccessibles de certains processus chimiques. Ils ont montré qu'il existe des étapes distinctes importantes dans ces processus qui s'appuient sur les connaissances existantes de la synthèse chimique. Ces détails pourraient aider au développement de méthodes pour synthétiser des produits chimiques avec plus de contrôle et de précision que jamais. De telles méthodes pourraient être utiles en science des matériaux et dans le développement de médicaments.

"Depuis 2007, les physiciens ont réalisé un rêve vieux de plus de 200 ans :la capacité de voir un atome individuel, " a déclaré le professeur de projet Eiichi Nakamura. " Mais cela ne s'est pas arrêté là. Notre groupe de recherche est allé au-delà de ce rêve pour créer des vidéos de molécules pour voir les réactions chimiques avec des détails sans précédent."

L'équipe de Nakamura du département de chimie de l'Université de Tokyo cherche à maîtriser le contrôle de divers processus chimiques responsables de la synthèse des matériaux. Cependant, la synthèse chimique est un domaine d'étude complexe.

"Les méthodes analytiques conventionnelles telles que la spectroscopie et la cristallographie nous donnent des informations utiles sur les résultats des processus, mais seulement des indices sur ce qui se passe pendant eux, " a expliqué Koji Harano, professeur associé de projet dans le groupe Nakamura. "Par exemple, nous nous intéressons aux cristaux de charpente métal-organique (MOF). La plupart des études examinent la croissance de ceux-ci mais manquent le stade précoce de la nucléation, car il est difficile à observer."

Les étapes transitoires des réactions chimiques complexes sont difficiles à étudier car il existe de multiples processus intermédiaires qui se produisent entre le début et la fin de la plupart des réactions. En principe, les différentes étapes pouvaient être vues, mais en réalité, il était impossible d'isoler les produits à chaque étape et de voir comment ceux-ci évoluaient avec le temps. Nakamura, Harano et son équipe ont passé plus de 10 ans sur ce problème, et ont développé une méthode appelée microscopie électronique moléculaire.

"C'était un problème en deux parties, " dit Harano. " A grande échelle, il y avait un défi d'ingénierie pour combiner un microscope électronique à haute résolution unique avec un capteur d'imagerie rapide et sensible pour l'imagerie vidéo continue; alors qu'à petite échelle, nous avons dû trouver un moyen de capturer les molécules d'intérêt et de les maintenir en place afin que la caméra puisse saisir l'action. »

Pour isoler et sécuriser des molécules particulières, l'équipe a utilisé un nanotube de carbone spécialement modifié. Cela accrocherait une molécule qui passe et la maintiendrait en place, mais surtout, n'interférerait pas avec les réactions de cette molécule. Par ici, chaque étape de la réaction aurait lieu à la pointe du nanotube, qui à son tour était maintenu en place au point focal du microscope électronique. Les données résultantes peuvent être transformées en vidéos en temps réel des réactions.

"Ce qui nous a beaucoup surpris au début, c'est que notre plan a réellement fonctionné. C'était un défi complexe, mais nous avons visualisé ces vidéos moléculaires pour la première fois en 2013, " dit Harano. " Entre alors et maintenant, nous avons travaillé pour transformer le concept en un outil utile. Notre premier succès a été de visualiser et de décrire une molécule en forme de cube, qui est une forme intermédiaire cruciale qui se produit lors de la synthèse du MOF. Il a fallu un an pour convaincre nos critiques de ce que nous avons trouvé est réel."

Ce n'est que la première étape vers la capacité de prendre le contrôle de la synthèse chimique d'une manière précise et contrôlée - un terme que les chercheurs appellent "synthèse rationnelle". Il est important d'observer les détails des réactions au fur et à mesure qu'elles progressent afin qu'elles puissent être efficacement rétro-conçues. Le rêve il y a 200 ans était de voir un atome; le rêve maintenant est de contrôler des molécules afin de créer des choses comme des minéraux synthétiques pour la construction, ou même de nouveaux médicaments pour sauver des vies.