Kimyasal Reaksiyonların Gerçek Zamanlı Görüntülenmesi İçin Tarafından Yapılmış Nano “Kameralar”

Bilim insanları yürüttükleri bir çalışmada kimyasal reaksiyonları izleyebilmek için moleküler yapıştırıcılar vasıtasıyla bir arada tutulan küçük kamera yapmışlardır. Cambridge Üniversitesi’nden araştırma ekibi tarafından geliştirilen cihaz da kuantum noktaları adı verilen küçük yarı iletken nanokristaller ile cucurbituril (CB) adı verilen moleküler yapıştırıcı kullanılarak altın nanopartikülleri bir araya getirmişlerdir. Oluşturulan bu partiküller su ile temas edildiği zaman cereyan eden kimyasal reaksiyonların gerçek zamanlı izlenimi kararlı ve güçlü bir şekilde kendiliğinden birleşmeleri sağlanmaktadır.

Bilim insanlarının geliştirdikleri bu kamera, ışığı kuantum noktaları içerisinde toplayarak elektron transferini indükleyip altın nanopartikül sensörleri ve spektroskopik araçlar da kullanılarak izlenebilmesi söz konusudur. Geliştirilen bu kamera daha önce teorisi yapılmış fakat doğrudan gözlemlenmesi yapılmamış kimyasal reaksiyonlar ve türler için kullanılmıştır. Platform, yenilenebilir enerji için fotokataliz ve fotovoltaiklerin iyileştirilmesi gibi çeşitli potansiyel uygulamalar için çok çeşitli molekülleri incelemek için kullanılabilmektedir. Elde edilen bulgular Nature Nanotechnology dergisinde yayınlanmıştır.

Tabiat, kendini sınırlayan süreçler vasıtasıyla kompleks yapılara ait grupların moleküler proseslerin organizasyonu sayesinde kontrol etmektedir. Ancak meydana gelen bu işlemleri laboratuvarda taklit etmek ve gözlemini yapmak oldukça zahmetli, zaman alıcı, pahalı ve karmaşık işlemlerden ibarettir. Araştırma ekibine liderlik eden Cambridge’den Prof. Oren Scherman, üstün özellikli yeni malzemeler oluşturmak için istenilen özelliklere sahip hibrit malzemeler bulmak adına genellikle farklı kimyasal türleri bir araya getirdiklerini bildirmiştir. Farklı kimyasal türler ile geliştirdikleri hibrit nanoyapıların üretim süreçlerinin zor olduğunu kontrolsüz ve dengesiz büyüyen yapılar ile karşılaştıklarını da aktarmıştır.

Scherman ve Cambridge'deki Cavendish Laboratuvarı ve University College London'dan meslektaşlarının geliştirdiği yeni yöntem, hem yarı iletken kuantum noktaları hem de altın nanoparçacıklarla güçlü bir şekilde etkileşime giren moleküler bir yapıştırıcı olan “cucurbituril” kullanmışlardır. Araştırmacılar, daha büyük nanoparçacıkların tasarımını kontrol etmek için ara-yüzey, kendini sınırlayan kümelenmelerin oluşturdukları bir işlemle küçük yarı iletken nanokristaller kullanmışlardır. İşlem, ışıkla etkileşime giren geçirgen ve kararlı hibrit malzemelere yol açmaktadır. Kamera, fotokatalizi gözlemlemek ve ışık kaynaklı elektron transferini izlemek için kullanılmıştır. Araştırmanın yine ilk yazarlarından olan Dr. Kamil Sokołowski yaptıkları nano montajın basit ve çok güçlü olduğunu aktarmıştır.

Araştırma ekibi geliştirecekleri nano kameralar için gözlem yapacakları molekülleri (kimyasal reaksiyonda rol oynayan moleküller) ve diğer bileşenleri oda sıcaklığındaki suya eklemişlerdir. Kuantum noktaları olmaksızın altın nanopartiküller moleküler yapıştırıcılar ile karıştırıldığında bileşenler sınırsız kümelenme sergilemişlerdir ve çözeltiden düşmüşlerdir. Bununla birlikte, araştırmacılar tarafından geliştirilen metodoloji ile kuantum noktaları, bu nanoyapıların montajına aracılık etmektedir, böylece yarı-iletken metal hibritleri kendi boyutlarını ve şekillerini kontrol ederek sınırlamaktadır. Buna ilaveten oluşturulan bu yapılar haftalarca sabit kalabilmektedir.

Kimya Bölümü’nden araştırmanın ortak yazarlarından Dr. Jade McCune kendi kendini sınırlayan bu yapıların oldukça şaşırtıcı bir durum olduğunu ve bunu hiç beklemediklerini ifade etmiştir. Bir nanopartikülün başka nanopartikül ile eklenerek toplanmasını ve böylece kontrol altına alıp bulduklarını dile getirmiştir.

Bilim insanları yürüttükleri çalışmada kullandıkları bileşenlerin gerçek zamanlı reaksiyonları için spektroskopi tekniğinden yararlanmışlardır. Geliştirdikleri kamerayı da kullanarak radikal türlerin oluşumunu ve iki radikal molekülün tersinir karbon-karbon bağı yaptıklarını, sigma dimerik viologen türleri gibi bunların da birleşme ürünlerini gözlemleyebilmişlerdir. Son türler teorize edilmiş ancak hiçbir zaman gözlemlenmemiştir.

Kaynak ve İleri Okuma

1. https://phys.org/news/2021-09-nano-camera-molecular-real-time-chemical.html

2. Földes, T. et al, Nanoparticle surfactants for kinetically arrested photoactive assemblies to track light-induced electron transfer, Nat. Nanotechnol. (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00949-6 , www.nature.com/articles/s41565-021-00949-6

Görsel Kaynak

https://phys.org/news/2021-09-nano-camera-molecular-real-time-chemical.html