自由基、碳鍵形成機制 直接秀出來 奈米相機 化學反應即時看

編譯/韋士塔 |2021.09.25
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奈米相機可即時監控分子的化學反應。圖/網路

編譯/韋士塔

英國劍橋大學的研究團隊已開發出一款奈米相機,研究人員使用稱為「葫蘆脲」(cucurbituril)的分子膠,把體積非常微小的半導體奈米晶體「量子點」(quantum dot)和黃金的奈米顆粒結合,可用於即時觀察化學反應。

研究人員在《自然奈米科技》(Nature Nanotechnology)期刊發表報告指出,化學是研究物質性質及其轉化規律的科學,且不常使用數學原理,許多化學理論都是科學家觀察後的結論。傳統的化學通常是指2種或2種以上物質間的接觸和其後的變化,也就是化學反應,或是一種物質變成另一種物質的過程。

研究人員指出,這種新的「相機」能在半導體中收集光線,誘導電子轉移過程,並透過黃金奈米粒子感測器和光譜技術加以監測;簡言之,就是以類似光合作用的過程,來準確顯示化學反應過程中,各種分子如何相互作用。

主持這項研究的劍橋大學化學系教授薛爾曼(Oren Scherman)表示,這項技術將可用來觀察過去尚未直接觀測過的化學物質,並應用於各種分子的研究,應用範圍相當廣泛,例如光觸媒和太陽能電池技術。

薛爾曼表示,自然界的分子結構相當複雜,尤其是化學反應讓分子組合的特定順序和過程;為了開發具有更佳性能的新材料,研究人員經常把不同的化學物質組合在一起,以產生具有特定功能的混合材料。然而,在實驗室中模擬這些過程,通常需耗費相當長的時間,且成本昂貴,手續複雜,失敗率也很高,常會出現不受控制或不穩定的材料。

然而,新型的奈米相機只需和想要研究的分子一起置入水中,就能自動結合;研究團隊成員索柯洛斯基(Kamil Sokolowski)表示:「這種新工具的組裝非常簡單,出乎我們的意料,更重要的是它的功能非常強大。此外,奈米相機的構造簡單,這代表科學家員不再需要複雜、昂貴的方法,也有可能取得研究成果。」

索柯洛斯基指出,研究團隊一開始嘗試把原創的奈米相機和想要觀察的分子添加在水中,但黃金奈米粒子與分子膠混合後卻失去控制,且在溶液中脫落。後來,他們利用半導體奈米晶體「量子點」來調整這些奈米結構,讓混合材料受到控制,並自行調節大小和形狀,其結構甚至能保持穩定長達數周。

參與研究的麥庫恩(Jade McCune)表示:「這種特性讓我們非常驚訝,我們發現,透過添加不同的奈米顆粒,就能控制某一種奈米顆粒成分的聚集;搭配攝影機和光譜技術,就能即時監控以前不曾觀察到的化學反應,例如自由基的形成、碳鍵形成的機制。」

薛爾曼表示,研究團隊一直嘗試以可控的方式把分子聚集在一起,這種奈米相機將成為重要的工具,協助開發許多對永續技術至關重要的材料,並開發半導體和奈米晶體的潛力。

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