Les chimistes de l'Université de Syracuse ont mis au point une nouvelle façon innovante de visualiser et de surveiller les réactions chimiques en temps réel.

Les membres du groupe de recherche Maye du département de chimie ont conçu un nanomatériau qui change de couleur lorsqu'il interagit avec des ions et d'autres petites molécules au cours d'une réaction chimique.

L'objet d'un article dans ACS Nano (Société américaine de chimie, 2016), leur découverte permet aux chercheurs de suivre les réactions qualitativement à l'œil nu et quantitativement avec une instrumentation simple.

"Dans de nombreux cas, une réaction chimique entre molécules se produit dans une solution incolore et transparente ou ressemblant à une suspension laiteuse, " dit Mathew Maye, professeur agrégé de chimie et chef d'équipe de l'expérience. "La seule façon de savoir si une réaction s'est produite ou non est d'effectuer une analyse approfondie après une purification en plusieurs étapes."

Pour tenter de comprendre pourquoi et à quelle vitesse une réaction se produit (le cas échéant), le groupe a conçu une nanoparticule qui réagit avec les sous-produits de la réaction. "Quand les réactions se produisent, la nanoparticule émet une fluorescence à une couleur différente, permettant de mesurer la cinétique à l'œil, au lieu d'un spectromètre à un million de dollars, " dit Maye.

Au cœur des travaux du groupe se trouve une classe émergente de nanomatériaux appelés pérovskites. Une pérovskite est une classe spéciale de cristal, généralement constitué d'ions métalliques et d'oxygène. Les pérovskites du groupe sont composées d'ions métalliques et d'un halogénure.

A l'échelle nanométrique, les pérovskites sont photoluminescentes, ce qui signifie qu'ils émettent de la lumière lorsqu'ils sont "excités" par un laser ou une lampe. Que les couleurs qu'elles émettent soient déterminées, en partie, par leurs concentrations en ions, les pérovskites sont uniques parmi les nanomatériaux.

Cela les rend également mûrs pour l'application. Des groupes de recherche industriels et universitaires voient le potentiel des pérovskites dans les cellules solaires, diodes électroluminescentes, lasers et photodétecteurs.

Tennyson Doane, un chercheur post-doctorant dans le groupe, est le co-auteur de l'article avec Maye. « Nous connaissions le potentiel de ces matériaux dans la recherche énergétique, " dit Doane. " Nous nous intéressons aussi à l'énergie, et a eu cette idée folle d'essayer d'utiliser les rapports de concentration en ions des pérovskites pour détecter les ions en solution, et puis peut-être surveiller la réaction chimique, ce qui est très difficile à faire. Nous ne savions pas si cela fonctionnerait ou non, alors nous avons juste décidé d'y aller."

Le groupe a commencé par travailler avec un système très simple qui impliquait des réactions organiques de molécules appelées organohalogénures. Lorsque ces molécules réagissent, formant souvent des doubles liaisons carbone-carbone dans ce qu'on appelle une réaction d'élimination, l'halogénure est libéré. (L'halogénure est un brome, ion chlore ou iode.) Typiquement, l'halogénure est un sous-produit sans importance de la réaction, jusqu'à maintenant.

"Notre technologie nous permet de détecter avec précision le dégagement d'halogénure, " dit Kevin Cruz '18, une majeure en chimie et co-auteur de l'article. "Quand la réaction commence, la pérovskite émet une fluorescence rouge vif. Lorsque l'halogénure est libéré, ou échangé dans la réaction chimique, notre particule l'absorbe, et la couleur de fluorescence change proportionnellement à la concentration d'halogénure - du rouge à l'orange au jaune au vert. Quand la couleur est verte, la réaction est terminée."

Explique Doane :"A cela s'ajoute le fait que la concentration en pérovskite est très faible, il suffit d'ajouter une petite quantité à la réaction pour l'observation. Nous avons pu calibrer le système très précisément, et à partir de là, on peut mesurer la cinétique chimique d'une nouvelle manière "colorimétrique".

Maye n'offre que des éloges pour Doane et Cruz, déclarant que ce qu'ils ont accompli en peu de temps et avec un petit budget est « extraordinaire ».

"Personne, à l'heure actuelle, songe à surveiller une réaction chimique de cette façon, " ajoute Maye. "Notre équipe est capable de mesurer une cinétique chimique très précise en surveillant le changement de couleur avec rien de plus qu'une ampoule ultraviolette ou un spectromètre à fluorescence bon marché."

En plus de Doane, Cruz et Maye, l'article a été co-écrit par Kayla Ryan G'15, doctorat étudiant Laxmikant Pathade et Huidong Zang et Mircea Cotlet au Center for Functional Nanomaterials du Brookhaven National Laboratory, dont chacun a fait des mesures importantes dans l'étude.

La technologie du groupe est en instance de brevet à l'Université. Maye dit qu'ils testent l'applicabilité de l'approche à une large bibliothèque de réactions chimiques et son efficacité à mesurer de faibles concentrations d'ions et de molécules réactives.

"Qui sait, peut-être à l'avenir, chaque chimiste utilisera une pérovskite de Syracuse pour surveiller ses réactions, " il ajoute.