照妖鏡奈米“相機”：讓反應歷程無處遁形

在新材料的研發製備過程中，觀察其形成的完整化學試驗過程至關重要，無論是中間過程形成的不穩定的化合物還是最終試驗形成的“備胎”產物，都有研究價值。

對化學過程中的宏觀和微觀變數進行動態監測，能對反應程式與終點進行合理調控與確認，從而達到合成目標產物的目的。在研製新材料的過程中，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定，如果能夠在微觀層面進行監測研究，就能夠深入觸達到化學反應合成過程的核心。

但是在一些化合物的製備過程中，一些活躍的化學反應除了其開始原料和最終產物表現穩定，但中間的反應過程劇烈化合物極其多變，瞭解和觀測非常困難。

近日英國劍橋大學一個團隊製造了一個強大的工具——奈米相機，用以實時觀測一些化學反應中間的過程。

分子級實時監測，理論產物無處遁形

這個微型照相機，是用叫作瓜膠(CB)的“分子膠”將微小的半導體奈米晶體和金奈米顆粒結合起來，在研究某個化學反應的時候，將其放入待研究的分子反應溶液中，這些成分在水裡幾秒鐘自我組裝成為一個穩定的強大的工具，進行監控化學反應。

這個被包圍的小奈米相機中的半導體會觀察光催化和跟蹤光誘導的電子轉移，類似於光合作用中的電子轉移過程，而這個收集光電子的過程會被金奈米粒子感測器和光譜技術進行監測。

與此前的試驗相比，科研人員可以用奈米相機觀察到此前只存在理論研究中的化合物。新型奈米相機開啟了化學反應過程中的化合物世界，未來這種材料可以用於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新材料，經常需要將不同的化學物質組合在一起，想要得到效能優良的混合奈米材料是很困難的，大部分的試驗最終會不受控制或得到一些性質不穩定的材料。研究人員透過他們創造的介面自限聚集過程來控制這些奈米粒子的組裝，該過程會產生與光相互作用的可滲透且穩定的混合材料。

在分子層面，大自然中各種化合物物質透過自身的化學性質限制一些複雜結構的集合生成，在實驗室中去模擬這些化學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透過檢測儀器監測觀察。

這個新型的奈米相機組裝非常簡單，但功能又非常強大，結構穩定可以保持數週。連線粒子和半導體的瓜膠，與半導體奈米晶體和金奈米粒子都有強烈相互作用，以前，在沒有量子點的情況下，當金奈米粒子與分子膠混合時，其組分會無限聚集並從溶液中脫落。新開發的策略，使得這些奈米結構的組裝過程互相制約，半導體-金屬混合材料會在試驗的過程中限制自己的大小和形狀。

當研究人員將奈米相機運用在試驗中，使用光譜學儀器實時監測化學反應，他們能夠觀察自由基種類的形成以及它們組合的產物，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的過程，但從未被觀察到。

研究人員稱奈米相機提供了同時誘導和觀察光化學反應的機會，半導體和電漿子奈米晶體的全部潛力現在可以被探索。它為化學反應成像和透過對監測的化學系統進行快照開啟了許多新的可能性。

簡單的設定讓研究人員告別了以前複雜、昂貴的方法來獲得相同的結果。據悉，這個平臺將開啟一系列廣泛的試驗，包括許多對可持續技術至關重要的材料如電池應用的電極介面和碳碳鍵形成的機制等。

光譜儀：“描繪”首與尾反應歷程

化學反應是一個比較複雜的過程，常常伴隨著多種副反應的發生，且反應過程中常生成多種中間產物，這給科研人員的研究帶來很大的工作量。現下，光譜儀和色譜儀是實時監測化學反應最常用的方式，可以對一些有機化學反應過程進行記錄，以揭示化學反應發生的微觀機理、反應歷程等。

在有機分析科學領域，科研人員運用光譜儀和色譜儀對反應程式和終點進行合理調控，透過研究反應體系中反應物、中間體和產物來推斷有機反應機理，調控有機反應程式，最終實現提高反應的轉化率以及產物質量的效果。

比如可以透過觀察反應物和產物隨時間的變化提高反應的區域選擇性，從而最佳化反應，也可以在藥物生產中阻止將可能改變其藥理活性反應的發生，排除和避免副反應的發生等。

對於一些新興材料領域的研究，已有的反應監測方法可能會滯後合成化學的發展，就需要懂痛點與技術的科研人員自主進行新方法的研究，更新實時監測技術。新型奈米相機就是一個很好的擴充研究例子，利用技術發展中的奈米技術方法，將微觀層面的反應變化能夠實時監測，對科研人員的化學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，都是經過科研工作者的千百次試驗

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

回到奈米相機的研究中，新型的奈米相機在化學反應的微觀層面上可以獲取光催化和跟蹤光誘導電子轉移的過程，革新了以前只存在理論中的化合產物事實，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，這個奈米相機對新型化合物的發現覆蓋領域巨大，有點像開盲盒，一個微小的技術變化背後，你不知道會因為它而在未來開啟什麼新驚喜。在新型化合物的製備過程中，科研研究與創新技術一直都是螺旋同步增長的發展過程，研究不止，配套的革新技術就會不止，兩者同向而生，生生不息。