Les scientifiques ont réussi à « filmer » des réactions chimiques intermoléculaires – en utilisant le faisceau d'électrons d'un microscope électronique à transmission (MET) comme outil d'imagerie d'arrêt sur image. Ils ont également découvert que le faisceau d'électrons peut être réglé simultanément pour stimuler des réactions chimiques spécifiques en l'utilisant comme source d'énergie et comme outil d'imagerie.

Cette recherche - qui montre des réactions chimiques se produisant en temps réel à un cent millionième de centimètre - a le potentiel de révolutionner l'étude et le développement de nouveaux matériaux. Cela pourrait aider à répondre à certaines des questions les plus fondamentales et les plus difficiles de la science chimique; comme la façon dont les molécules réagissent les unes avec les autres au niveau atomistique ; ce qui motive la formation d'un produit au lieu d'un autre ; ainsi que l'aide à la découverte de toutes nouvelles réactions chimiques.

L'équipe multinationale d'experts du Royaume-Uni, l'Allemagne et la Russie, était dirigé par Andrei Khlobystov, professeur de nanomatériaux et directeur du Nanoscale and Microscale Research Centre de l'Université de Nottingham. L'étude :"Stop-frame filming and discovery of reaction at the single-molecule level by transmission electron microscopy" a été publiée dans ACS Nano , une revue phare sur les nanosciences et les nanotechnologies et sélectionnée comme le choix de l'éditeur de l'ACS en raison de son potentiel d'intérêt public.

Le professeur Khlobystov a déclaré:"Il s'agit d'une percée scientifique importante. Nous avons transformé la façon dont nous utilisons la MET - de la prise d'images fixes à un outil pour filmer et stimuler des réactions chimiques. C'est la première fois que nous pouvons observer des réactions chimiques à ce niveau et observez le devenir des molécules au fur et à mesure que les réactions chimiques ont lieu - des molécules de départ jusqu'au produit."

La recherche a été menée par des experts en chimie synthétique et théorique, matériaux et la microscopie électronique et s'appuie sur le concept du professeur Khlobystov de tubes à essai nano de carbone (tubes à essai les plus petits du monde, Livre Guinness des records du monde 2005), où le nanotube agit comme un conteneur pour les molécules. Ses travaux pionniers sur les nano-conteneurs et nano-réacteurs de carbone conduisent déjà à de nouvelles façons de diriger l'assemblage moléculaire et d'étudier les réactions chimiques.

La recherche britannique a été menée en collaboration avec Elena Besley, un professeur de chimie de calcul théorique et son équipe de chercheurs travaillant dans le groupe de nanosciences computationnelles à l'Université de Nottingham.

Le professeur Besley a déclaré :" En fouillant dans les plus petits éléments chimiques de la matière, notre étude exploite « l'effet observateur » et établit une méthodologie entièrement nouvelle pour l'étude des réactions chimiques. Nous démontrons que le faisceau d'électrons, agissant simultanément comme une sonde d'imagerie et une source d'énergie pour conduire des transformations chimiques, offre un nouvel outil pour étudier les réactions chimiques de molécules individuelles avec une résolution atomique, ce qui est vital pour la découverte de nouveaux mécanismes de réaction et une future synthèse plus efficace."

Synthèse et préparation de nouveaux matériaux

Il y a encore beaucoup de problèmes dans la synthèse et la préparation des matériaux et nous devons comprendre les processus qui les créent, comment réagissent exactement les molécules, comment les liaisons chimiques se brisent et se forment.

Le professeur Khlobystov a déclaré :« Nous avons nommé notre méthode ChemTEM parce que c'est le moyen le plus direct d'étudier les réactions chimiques :le faisceau d'électrons fournit des quantités d'énergie bien définies directement aux atomes au sein de la molécule et déclenche ainsi une réaction chimique, tout en imageant en continu les transformations moléculaires, image par image dans l'espace direct et en temps réel. Nous pouvons découvrir de nouvelles réactions chimiques et créer des structures chimiques sur mesure en jouant avec les conditions du MET – par exemple l'énergie du faisceau d'électrons.

« Nous sommes maintenant en mesure d'observer les molécules individuelles se joindre pour former des nanorubans de graphène et de polymères. Nous pouvons ensuite orienter la réaction dans la direction que nous voulons pour former le matériau que nous voulons, et regardez cela se produire en temps réel. Par exemple, nous étudions déjà la prochaine génération de matériaux moléculaires bidimensionnels complexes pour des applications électroniques au-delà du graphène. »

Adopter « l'effet observateur »

En microscopie, beaucoup d'efforts sont investis dans la réduction de l'impact de la lumière ou du faisceau d'électrons - le soi-disant effet d'observateur' - sur l'échantillon pour s'assurer que les images représentent des structures vraiment vierges, pas affecté par le processus de mesure.

L'équipe de recherche a utilisé « l'effet observateur » pour transformer la MET en un outil d'imagerie et une source d'énergie pour conduire des réactions chimiques.

Le faisceau d'électrons pénètre dans les parois atomiquement minces des nanotubes de carbone et permet une imagerie résolue dans le temps des réactions au niveau d'un seul atome. Activé par le faisceau d'électrons, l'énergie et le débit de dose qui peuvent être réglés avec précision, des transformations chimiques des molécules ont lieu.