Les chercheurs ont fabriqué un petit appareil photo, maintenus ensemble par une « colle moléculaire » qui leur permet d'observer les réactions chimiques en temps réel.

Le dispositif, réalisé 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'il est ajouté à l'eau avec la molécule à étudier, les composants s'auto-assemblent en quelques secondes dans une écurie, outil puissant qui permet le suivi en temps réel des réactions chimiques.

La caméra capte 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, comme 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 prend généralement beaucoup de temps, coûteux et dépendant de procédures complexes.

"Afin de développer de nouveaux matériaux aux propriétés supérieures, nous combinons souvent différentes espèces chimiques pour arriver à un matériau hybride qui a les propriétés que nous voulons, " 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, vu à quel point il est simple à assembler, " 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, avec la molécule qu'ils voulaient observer, à arroser à température ambiante. Précédemment, lorsque des nanoparticules d'or ont été mélangées à la colle moléculaire en l'absence de points quantiques, les composants ont subi une agrégation illimitée et sont tombés en panne. Cependant, avec la stratégie développée par les chercheurs, les points quantiques assurent la médiation de l'assemblage de ces nanostructures afin que les hybrides semi-conducteur-métal contrôlent et limitent leur propre taille et forme. En outre, ces structures restent stables pendant des semaines.

"Cette propriété d'autolimitation était surprenante, ce n'était pas quelque chose 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 l'appareil photo, ils ont pu observer la formation d'espèces radicalaires - une molécule avec un électron non apparié - et des 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, " dit 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 maintenant être exploré, offrant une opportunité 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. " a déclaré Sokołowski. " La simplicité de la configuration signifie que les chercheurs n'ont plus besoin de complexes, méthodes 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.