照妖鏡納米“相機”：讓反應(yīng)歷程無處遁形

原標題：照妖鏡納米“相機”：讓反應(yīng)歷程無處遁形

在新材料的研發(fā)制備過程中，觀察其形成的完整化學(xué)試驗過程至關(guān)重要，無論是中間過程形成的不穩(wěn)定的化合物還是最終試驗形成的“備胎”產(chǎn)物，都有研究價值。

對化學(xué)過程中的宏觀和微觀變量進行動態(tài)監(jiān)測，能對反應(yīng)進程與終點進行合理調(diào)控與確認，從而達到合成目標產(chǎn)物的目的。在研制新材料的過程中，比如新有機化合物的合成，會有各種各樣的碳碳鍵組合方式，但在碳碳鍵的組合過程中有些變化就可逆，有些碳碳鍵組合就很穩(wěn)定，如果能夠在微觀層面進行監(jiān)測研究，就能夠深入觸達到化學(xué)反應(yīng)合成過程的核心。

但是在一些化合物的制備過程中，一些活躍的化學(xué)反應(yīng)除了其開始原料和最終產(chǎn)物表現(xiàn)穩(wěn)定，但中間的反應(yīng)過程劇烈化合物極其多變，了解和觀測非常困難。

近日英國劍橋大學(xué)一個團隊制造了一個強大的工具——納米相機，用以實時觀測一些化學(xué)反應(yīng)中間的過程。

分子級實時監(jiān)測，理論產(chǎn)物無處遁形

這個微型照相機，是用叫作瓜膠（CB）的“分子膠”將微小的半導(dǎo)體納米晶體和金納米顆粒結(jié)合起來，在研究某個化學(xué)反應(yīng)的時候，將其放入待研究的分子反應(yīng)溶液中，這些成分在水里幾秒鐘自我組裝成為一個穩(wěn)定的強大的工具，進行監(jiān)控化學(xué)反應(yīng)。

這個被包圍的小納米相機中的半導(dǎo)體會觀察光催化和跟蹤光誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移，類似于光合作用中的電子轉(zhuǎn)移過程，而這個收集光電子的過程會被金納米粒子傳感器和光譜技術(shù)進行監(jiān)測。

與此前的試驗相比，科研人員可以用納米相機觀察到此前只存在理論研究中的化合物。新型納米相機打開了化學(xué)反應(yīng)過程中的化合物世界，未來這種材料可以用于研究一些功能豐富的潛在化合物，比如改善光催化和光伏可再生能源。

在實際的科研中，研究團隊分享為了開發(fā)新材料，經(jīng)常需要將不同的化學(xué)物質(zhì)組合在一起，想要得到性能優(yōu)良的混合納米材料是很困難的，大部分的試驗最終會不受控制或得到一些性質(zhì)不穩(wěn)定的材料。研究人員通過他們創(chuàng)造的界面自限聚集過程來控制這些納米粒子的組裝，該過程會產(chǎn)生與光相互作用的可滲透且穩(wěn)定的混合材料。

在分子層面，大自然中各種化合物物質(zhì)通過自身的化學(xué)性質(zhì)限制一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的集合生成，在實驗室中去模擬這些化學(xué)全生命過程是非常困難，耗時長、成本貴，甚至有些化合物的生成無法通過檢測儀器監(jiān)測觀察。

這個新型的納米相機組裝非常簡單，但功能又非常強大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可以保持數(shù)周。連接粒子和半導(dǎo)體的瓜膠，與半導(dǎo)體納米晶體和金納米粒子都有強烈相互作用，以前，在沒有量子點的情況下，當金納米粒子與分子膠混合時，其組分會無限聚集并從溶液中脫落。新開發(fā)的策略，使得這些納米結(jié)構(gòu)的組裝過程互相制約，半導(dǎo)體－金屬混合材料會在試驗的過程中限制自己的大小和形狀。

當研究人員將納米相機運用在試驗中，使用光譜學(xué)儀器實時監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)，他們能夠觀察自由基種類的形成以及它們組合的產(chǎn)物，如其中兩個自由基形成可逆的碳碳鍵，這個自由基以前都是停留在理論推導(dǎo)的過程，但從未被觀察到。

研究人員稱納米相機提供了同時誘導(dǎo)和觀察光化學(xué)反應(yīng)的機會，半導(dǎo)體和電漿子納米晶體的全部潛力現(xiàn)在可以被探索。它為化學(xué)反應(yīng)成像和通過對監(jiān)測的化學(xué)系統(tǒng)進行快照打開了許多新的可能性。

簡單的設(shè)置讓研究人員告別了以前復(fù)雜、昂貴的方法來獲得相同的結(jié)果。據(jù)悉，這個平臺將開啟一系列廣泛的試驗，包括許多對可持續(xù)技術(shù)至關(guān)重要的材料如電池應(yīng)用的電極界面和碳碳鍵形成的機制等。

光譜儀：“描繪”首與尾反應(yīng)歷程

化學(xué)反應(yīng)是一個比較復(fù)雜的過程，常常伴隨著多種副反應(yīng)的發(fā)生，且反應(yīng)過程中常生成多種中間產(chǎn)物，這給科研人員的研究帶來很大的工作量。現(xiàn)下，光譜儀和色譜儀是實時監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)最常用的方式，可以對一些有機化學(xué)反應(yīng)過程進行記錄，以揭示化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的微觀機理、反應(yīng)歷程等。

在有機分析科學(xué)領(lǐng)域，科研人員運用光譜儀和色譜儀對反應(yīng)進程和終點進行合理調(diào)控，通過研究反應(yīng)體系中反應(yīng)物、中間體和產(chǎn)物來推斷有機反應(yīng)機理，調(diào)控有機反應(yīng)進程，最終實現(xiàn)提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)物質(zhì)量的效果。

比如可以通過觀察反應(yīng)物和產(chǎn)物隨時間的變化提高反應(yīng)的區(qū)域選擇性，從而優(yōu)化反應(yīng)，也可以在藥物生產(chǎn)中阻止將可能改變其藥理活性反應(yīng)的發(fā)生，排除和避免副反應(yīng)的發(fā)生等。

對于一些新興材料領(lǐng)域的研究，已有的反應(yīng)監(jiān)測方法可能會滯后合成化學(xué)的發(fā)展，就需要懂痛點與技術(shù)的科研人員自主進行新方法的研究，更新實時監(jiān)測技術(shù)。新型納米相機就是一個很好的拓展研究例子，利用技術(shù)發(fā)展中的納米技術(shù)方法，將微觀層面的反應(yīng)變化能夠?qū)崟r監(jiān)測，對科研人員的化學(xué)實驗過程研究帶來了很大的幫助。

我們使用的每種新合成材料，合成藥物等，都是經(jīng)過科研工作者的千百次試驗

才能得到，微小的發(fā)明進步對于行外人來說就是看熱鬧，無法感同身受那種變化與喜悅，而對于行內(nèi)人來說就是工作、研究質(zhì)的飛躍。拿生命科學(xué)領(lǐng)域的爆炸性新聞來說，DeepMind 的Al phaFold2模型，幾乎將人類的98.5%的蛋白質(zhì)全部預(yù)測了一遍，科研人員在此基礎(chǔ)上可以愉快地深入探索蛋白質(zhì)中的生命密碼，但是行業(yè)外的人根本無法get到Al phaFold2模型工具究竟為蛋白質(zhì)的研究帶來了什么。

回到納米相機的研究中，新型的納米相機在化學(xué)反應(yīng)的微觀層面上可以獲取光催化和跟蹤光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移的過程，革新了以前只存在理論中的化合產(chǎn)物事實，研究人員只需要簡單地操作就可以完成這個微觀層面的深入觀察。而長遠來看，這個納米相機對新型化合物的發(fā)現(xiàn)覆蓋領(lǐng)域巨大，有點像開盲盒，一個微小的技術(shù)變化背后，你不知道會因為它而在未來打開什么新驚喜。在新型化合物的制備過程中，科研研究與創(chuàng)新技術(shù)一直都是螺旋同步增長的發(fā)展過程，研究不止，配套的革新技術(shù)就會不止，兩者同向而生，生生不息。

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