2 سپتامبر 2021، وسط دانشگاه کمبریج
این دستگاه که توسط تیمی از دانشگاه کمبریج ساخته شده است، ترکیبی از نانوکریستال‌های نیمه رسانای کوچک به نام نقاط کوانتومی و نانوذرات طلا با استفاده از چسب مولکولی به نام cucurbituril (CB) است. هنگامی که مولکول مورد مطالعه به آب اضافه می‌شود، اجزاء در عرض چند ثانیه خود را به یک ابزار پایدار و قدرتمند مونتاژ می‌کنند که امکان نظارت بر زمان واقعی واکنش‌های شیمیایی را فراهم می‌کند.
دوربین نور را در نیمه هادی‌ها جمع آوری می‌کند و فرآیندهای انتقال الکترون مانند آن‌چه در فتوسنتز اتفاق می‌افتد را القا می‌کند، که می‌تواند با استفاده از حسگرهای نانوذرات طلا و تکنیک‌های طیف سنجی کنترل شود. آن‌ها توانستند از دوربین برای مشاهده گونه‌های شیمیایی که قبلاً نظریه پردازی شده بودند اما مستقیماً مشاهده نشده بودند، استفاده کنند.
این پلتفرم می‌تواند برای مطالعه طیف وسیعی از مولکول‌ها برای انواع برنامه‌های کاربردی بالقوه مانند بهبود فوتوکاتالیز و فوتوولتائیک برای انرژی‌های تجدیدپذیر مورد استفاده قرار گیرد. نتایج آن در مجله Nature Nanotechnology گزارش شده است.
طبیعت مجموعه‌های ساختارهای پیچیده را در مقیاس مولکولی از طریق فرایندهای خود محدود کننده کنترل می‌کند. با این حال، تقلید از این فرآیندها در آزمایشگاه معمولاً زمان بر، گران و متکی به روش‌های پیچیده است.
پروفسور اورن شرمن از گروه شیمی کمبریج، که این تحقیق را رهبری می‌کند، می‌گوید: «به منظور توسعه مواد جدید با خواص برتر، ما اغلب گونه‌های شیمیایی مختلف را با هم ترکیب می‌کنیم تا به یک ماده ترکیبی برسیم که خواص مورد نظر ما را دارد. اما ساخت این نانوساختارهای ترکیبی دشوار است و شما اغلب با رشد بی رویه یا موادی ناپایدار مواجه می‌شوید.»
در روش جدیدی که شرمن و همکارانش از آزمایشگاه کاوندیش کمبریج و دانشگاه کالج لندن آن را توسعه داده‌اند، از cucurbituril – چسب مولکولی که به شدت با نقاط کوانتومی نیمه هادی و نانوذرات طلا تعامل قوی دارد، استفاده می‌شود. محققان از نانوکریستال‌های نیمه رسانای کوچک برای کنترل مجموعه نانوذرات بزرگتر از طریق فرایند ایجاد تجمع خود محدود کننده سطحی استفاده کردند. این فرآیند منجر به مواد ترکیبی نفوذپذیر و پایدار می‌شود که با نور تعامل دارند. از این دوربین برای مشاهده فوتوکاتالیز و ردیابی انتقال الکترون ناشی از نور استفاده شد.
دکتر کامیل سوکوفوسکی، نویسنده این بخش، همچنین از گروه شیمی گفت: «ما تعجب کردیم که این ابزار جدید چقدر قدرتمند است، زیرا مونتاژ آن بسیار ساده است.»
این گروه برای ساخت دوربین نانو خود، اجزای فردی را به همراه مولکولی که می‌خواستند مشاهده کنند، به آب در دمای اتاق اضافه کردند. پیش از این، هنگامی که نانوذرات طلا در غیاب نقاط کوانتومی با چسب مولکولی مخلوط می‌شد، اجزاء تجمع نامحدودی پیدا می‌کردند و از محلول خارج می‌شدند. با این حال، با استراتژی توسعه یافته توسط محققان، نقاط کوانتومی واسطه مونتاژ این نانوساختارها هستند تا هیبریدهای نیمه رسانا-فلز اندازه و شکل خود را کنترل کرده و محدود کنند. علاوه بر این، این ساختارها هفته‌ها ثابت می‌مانند.
همچنین دکتر جید مک کان، از گروه شیمی، می‌گوید: «این خاصیت خود محدود کننده شگفت انگیز بود، این چیزی نبود که انتظار داشتیم ببینیم. ما دریافتیم که تجمع یک جزء نانوذرات را می‌توان با افزودن یک جزء نانوذره دیگر کنترل کرد.»
وقتی محققان اجزاء را با هم مخلوط کردند، تیم از طیف سنجی برای مشاهده واکنش‌های شیمیایی در زمان واقعی استفاده کرد. با استفاده از دوربین، آن‌ها توانستند شکل گیری گونه‌های رادیکال-مولکولی با الکترون جفت نشده-و محصولاتی از مجموعه آن‌ها مانند گونه‌های viologen sigma dimeric را مشاهده کنند، جایی که دو رادیکال یک پیوند برگشت پذیر کربن-کربن را تشکیل می‌دهند. گونه‌های اخیر نظریه پردازی شده بود اما هرگز مشاهده نشد.
