Chemie in Bewegung
Forscher produzieren erstmals Videos von chemischen Synthesen mit atomarer Auflösung
Erstmals ist es den Forschern gelungen, bisher unzugängliche Details bestimmter chemischer Prozesse zu betrachten. Sie haben gezeigt, dass es signifikante diskrete Stufen dieser Prozesse gibt, die auf unserem Wissen über chemische Synthese aufbauen. Diese Details könnten bei der Entwicklung von Methoden zur Synthese von Chemikalien mit größerer Kontrolle und Präzision als je zuvor helfen. Solche Methoden könnten in der Materialwissenschaft und in der Medikamentenentwicklung nützlich sein.
Dies ist ein Video, das zum ersten Mal das für MOF-Kristalle kritische kubische Molekül zeigt.
(c) 2019 Nakamura et al.
"Seit 2007 können Physiker einen Traum verwirklichen, der über 200 Jahre alt ist - die Fähigkeit, ein einzelnes Atom zu sehen", sagte Projektprofessor Eiichi Nakamura. "Aber es endete nicht dort. Unsere Forschungsgruppe hat diesen Traum übertroffen und Videos von Molekülen erstellt, um chemische Reaktionen in noch nie dagewesenen Details zu sehen."
Nakamura teilt den kühnen Ehrgeiz mit Wissenschaftlern überall auf der Welt, neue und nützliche Materialien für die Welt zu entwickeln. Dazu will sein Team vom Department of Chemistry der Universität Tokio die Kontrolle über verschiedene chemische Prozesse, die für die Materialsynthese verantwortlich sind, beherrschen. Allerdings ist die chemische Synthese eine komplizierte Sache zu untersuchen.
"Herkömmliche Analysemethoden wie Spektroskopie und Kristallographie geben uns nützliche Informationen über die Ergebnisse von Prozessen, geben aber nur Hinweise darauf, was während dieser Prozesse passiert", erklärt Koji Harano, Projektassistenzprofessor in der Nakamura-Gruppe. "Zum Beispiel interessieren wir uns für Kristalle aus metallorganischen Gerüsten (MOF). Die meisten Studien betrachten das Wachstum dieser Stoffe, verfehlen aber das frühe Stadium der Nukleation, da es schwierig zu beobachten ist."
Die transienten Phasen komplexer chemischer Reaktionen sind schwer zu untersuchen, da es mehrere Zwischenprozesse gibt, die zwischen Anfang und Ende der meisten Reaktionen stattfinden. Im Prinzip waren die einzelnen Phasen zu sehen, aber in Wirklichkeit war es unmöglich, die Produkte in jeder Phase zu isolieren und zu sehen, wie sich diese mit der Zeit verändert haben. Nakamura, Harano und das Team haben sich mehr als 10 Jahre lang mit diesem Problem beschäftigt und ein Verfahren namens molekulare Elektronenmikroskopie entwickelt.
"Es war ein Problem von zwei Teilen", fuhr Harano fort. "Im großen Maßstab gab es eine technische Herausforderung, ein einzigartiges hochauflösendes Elektronenmikroskop mit einem schnellen und empfindlichen Bildsensor für die kontinuierliche Videobilderfassung zu kombinieren; während wir im kleinen Maßstab eine Möglichkeit finden mussten, die interessierenden Moleküle zu erfassen und an Ort und Stelle zu halten, damit die Kamera die Aktion einfangen konnte."
Um bestimmte Moleküle zu isolieren und zu sichern, verwendete das Team ein speziell modifiziertes Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Dies würde ein passendes Molekül festhalten, aber vor allem die Reaktionen dieses Moleküls nicht stören. Auf diese Weise würde jeder Schritt der Reaktion an der Spitze des Nanoröhrchens stattfinden, das wiederum am Brennpunkt des Elektronenmikroskops gehalten wurde. Die so gewonnenen Daten können in Echtzeit-Videos der Reaktionen festgehalten werden.
"Was uns am Anfang sehr überrascht hat, war, dass unser Plan tatsächlich funktioniert hat. Es war eine komplexe Herausforderung, aber wir haben diese molekularen Videos erstmals 2013 visualisiert", sagte Harano. "Zwischen damals und heute haben wir daran gearbeitet, das Konzept in ein nützliches Werkzeug zu verwandeln. Unser erster Erfolg war die Visualisierung und Beschreibung eines würfelförmigen Moleküls, das eine wichtige Zwischenform bei der MOF-Synthese ist. Es dauerte ein Jahr, um unsere Gutachter davon zu überzeugen, dass das, was wir gefunden haben, echt ist."
Dies ist nur der erste Schritt in Richtung einer präzisen und kontrollierten Kontrolle über die chemische Synthese - ein Begriff, den die Forscher "rationale Synthese" nennen. Es ist wichtig, Details der Reaktionen im Verlauf zu beobachten, damit sie effektiv rückentwickelt werden können. Der Traum vor 200 Jahren war es, ein Atom zu sehen, der Traum ist jetzt, sie zu kontrollieren, um Dinge wie synthetische Mineralien für den Baubereich oder sogar neue Medikamente zu schaffen, die helfen, Leben zu retten.
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Originalveröffentlichung
Junfei Xing, Luca Schweighauser, Satoshi Okada, Koji Harano, Eiichi Nakamura; "Atomistic structures and dynamics of prenucleation clusters in MOF-2 and MOF-5 syntheses"; Nature Communications; 2019
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