06.09.2021 - University of Cambridge

Una nano "cámara" fabricada con pegamento molecular permite controlar en tiempo real las reacciones químicas

"Nos ha sorprendido lo potente que es esta nueva herramienta, teniendo en cuenta lo sencillo que es su montaje"

Unos investigadores han fabricado una diminuta cámara unida con "pegamento molecular" que permite observar reacciones químicas en tiempo real.

El dispositivo, fabricado por un equipo de la Universidad de Cambridge, combina minúsculos nanocristales semiconductores llamados puntos cuánticos y nanopartículas de oro mediante un pegamento molecular llamado cucurbituril (CB). Cuando se añaden al agua con la molécula que se quiere estudiar, los componentes se autoensamblan en segundos en una herramienta estable y potente que permite el seguimiento en tiempo real de las reacciones químicas.

La cámara recoge la luz dentro de los semiconductores, induciendo procesos de transferencia de electrones como los que se producen en la fotosíntesis, que pueden ser monitorizados mediante sensores de nanopartículas de oro incorporados y técnicas espectroscópicas. Con la cámara pudieron observar especies químicas que hasta entonces se habían teorizado pero no se habían observado directamente.

La plataforma podría utilizarse para estudiar una amplia gama de moléculas para diversas aplicaciones potenciales, como la mejora de la fotocatálisis y la energía fotovoltaica para las energías renovables. Los resultados se publican en la revista Nature Nanotechnology.

La naturaleza controla los ensamblajes de estructuras complejas a escala molecular mediante procesos autolimitantes. Sin embargo, imitar estos procesos en el laboratorio suele ser largo, caro y dependiente de procedimientos complejos.

"Para desarrollar nuevos materiales con propiedades superiores, solemos combinar diferentes especies químicas para obtener un material híbrido con las propiedades deseadas", explica el profesor Oren Scherman, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, que dirigió la investigación. "Pero fabricar estas nanoestructuras híbridas es difícil, y a menudo se acaba con un crecimiento incontrolado o con materiales que son inestables".

El nuevo método desarrollado por Scherman y sus colegas del Laboratorio Cavendish de Cambridge y del University College de Londres utiliza cucurbituril, un pegamento molecular que interactúa fuertemente tanto con los puntos cuánticos semiconductores como con las nanopartículas de oro. Los investigadores utilizaron pequeños nanocristales semiconductores para controlar el ensamblaje de nanopartículas más grandes mediante un proceso que acuñaron como agregación autolimitadora interfacial. El proceso da lugar a materiales híbridos permeables y estables que interactúan con la luz. La cámara se utilizó para observar la fotocatálisis y seguir la transferencia de electrones inducida por la luz.

"Nos ha sorprendido lo potente que es esta nueva herramienta, teniendo en cuenta lo sencillo que es su montaje", afirma el primer autor, el Dr. Kamil Sokołowski, también del Departamento de Química.

Para fabricar su nanocámara, el equipo añadió los componentes individuales, junto con la molécula que querían observar, al agua a temperatura ambiente. Anteriormente, cuando las nanopartículas de oro se mezclaban con el pegamento molecular en ausencia de puntos cuánticos, los componentes sufrían una agregación ilimitada y se salían de la solución. Sin embargo, con la estrategia desarrollada por los investigadores, los puntos cuánticos median en el ensamblaje de estas nanoestructuras para que los híbridos semiconductor-metal controlen y limiten su propio tamaño y forma. Además, estas estructuras se mantienen estables durante semanas.

"Esta propiedad autolimitadora fue sorprendente, no era algo que esperáramos ver", dijo la coautora, la Dra. Jade McCune, también del Departamento de Química. "Descubrimos que la agregación de un componente nanopartícula podía controlarse mediante la adición de otro componente nanopartícula".

Cuando los investigadores mezclaron los componentes, el equipo utilizó la espectroscopia para observar las reacciones químicas en tiempo real. Gracias a la cámara, pudieron observar la formación de especies radicales -una molécula con un electrón no apareado- y los productos de su ensamblaje, como las especies de viologeno sigma dimérico, donde dos radicales forman un enlace reversible carbono-carbono. Estas últimas especies se habían teorizado pero nunca se habían observado.

"La gente se ha pasado toda su carrera consiguiendo que los trozos de materia se unan de forma controlada", dijo Scherman, que también es Director del Laboratorio Melville. "Esta plataforma desbloqueará una amplia gama de procesos, incluidos muchos materiales y productos químicos que son importantes para las tecnologías sostenibles. Ahora se puede explorar todo el potencial de los nanocristales semiconductores y plasmónicos, lo que ofrece la oportunidad de inducir y observar simultáneamente las reacciones fotoquímicas."

"Esta plataforma es una gran caja de herramientas, teniendo en cuenta el número de bloques metálicos y semiconductores que se pueden acoplar utilizando esta química, y abre muchas posibilidades para la obtención de imágenes de reacciones químicas y la detección mediante la toma de instantáneas de los sistemas químicos monitorizados", dijo Sokołowski. "La sencillez del montaje significa que los investigadores ya no necesitan métodos complejos y costosos para obtener los mismos resultados".

Los investigadores del laboratorio de Scherman trabajan actualmente para seguir desarrollando estos híbridos hacia sistemas fotosintéticos artificiales y de (foto)catálisis en los que los procesos de transferencia de electrones puedan observarse directamente en tiempo real. El equipo también está estudiando los mecanismos de formación de enlaces carbono-carbono, así como las interfaces de electrodos para aplicaciones de baterías.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Hechos, antecedentes, expedientes
Más sobre University of Cambridge