Undersøgelse baner vejen for oprettelse af tænd- og slukknapper til kemiske reaktioner

UCLA-fysikere har været banebrydende for en metode til at skabe et unikt nyt molekyle, der i sidste ende kan have anvendelser inden for medicin, fødevarevidenskab og andre områder. Deres forskning, som også viser, hvordan kemiske reaktioner kan studeres i mikroskopisk skala ved hjælp af fysikværktøjer, er rapporteret i journalen Videnskab .

I de sidste 200 år, videnskabsmænd har udviklet regler til at beskrive kemiske reaktioner, som de har observeret, herunder reaktioner i fødevarer, vitaminer, medicin og levende organismer. En af de mest allestedsnærværende er "oktetreglen, " som siger, at hvert atom i et molekyle, der er produceret ved en kemisk reaktion, vil have otte ydre kredsende elektroner. (Forskere har fundet undtagelser fra reglen, men disse undtagelser er sjældne.)

Men molekylet skabt af UCLA-professor Eric Hudson og kolleger overtræder den regel. Barium-ilt-calcium, eller BaOCa+, er det første molekyle nogensinde observeret af forskere, der er sammensat af et oxygenatom bundet til to forskellige metalatomer.

Normalt, et metalatom (enten barium eller calcium) kan reagere med et oxygenatom for at producere et stabilt molekyle. Imidlertid, da UCLA-forskerne tilføjede et andet metalatom til blandingen, et nyt molekyle, BaOCa+, som ikke længere opfyldte oktetreglen, var blevet dannet.

Andre molekyler, der overtræder oktetreglen, er blevet observeret før, men UCLA-undersøgelsen er blandt de første til at observere et sådant molekyle ved hjælp af værktøjer fra fysikken – nemlig lasere, ionfælder og ultrakolde atomfælder.

Hudsons laboratorium brugte laserlys til at afkøle små mængder af reaktantatomer og molekyler til en ekstremt lav temperatur - en tusindedel af en grad over det absolutte nulpunkt - og derefter svæve dem i et rum, der er mindre end bredden af ​​et menneskehår, inde i et vakuumkammer. Under disse stærkt kontrollerede forhold, forskerne kunne observere egenskaber ved atomer og molekyler, der ellers er skjulte, og de "fysiske værktøjer", de brugte, gjorde dem i stand til at holde en prøve af atomer og observere kemiske reaktioner et molekyle ad gangen.

De ultrakolde temperaturer, der blev brugt i eksperimentet, kan også bruges til at simulere reaktionen, som den ville forekomme i det ydre rum. Det kunne hjælpe videnskabsmænd med at forstå, hvordan visse komplekse molekyler, inklusive nogle, der kunne være forløbere for liv, kom til at eksistere i rummet, sagde Hudson.

Forskerne fandt ud af, at når de bragte calcium og bariummethoxid sammen inde i deres system under normale forhold, de ville ikke reagere, fordi atomerne ikke kunne finde en måde at omarrangere sig selv til at danne et stabilt molekyle. Imidlertid, da forskerne brugte en laser til at ændre fordelingen af ​​elektronerne i calciumatomet, reaktionen gik hurtigt, producerer et nyt molekyle, CaOBa+.

Tilgangen er en del af et nyt fysik-inspireret underfelt af kemi, der bruger værktøjerne fra ultrakold fysik, såsom lasere og elektromagnetisme, at observere og kontrollere, hvordan og hvornår enkeltpartikelreaktioner opstår.

UCLA kandidatstuderende Prateek Puri, projektets ledende forsker, sagde, at eksperimentet ikke kun viser, hvordan disse teknikker kan bruges til at skabe eksotiske molekyler, men også hvordan de kan bruges til at konstruere vigtige reaktioner. Opdagelsen kan i sidste ende bruges til at skabe nye metoder til at konservere fødevarer (ved at forhindre uønskede kemiske reaktioner mellem fødevarer og miljøet) eller udvikle sikrere medicin (ved at eliminere de kemiske reaktioner, der forårsager negative bivirkninger).

"Eksperimenter som disse baner vejen for udvikling af nye metoder til at kontrollere kemi, " sagde Puri. "Vi laver i det væsentlige 'på-knapper' til reaktioner."

Hudson sagde, at han håber, at arbejdet vil tilskynde andre videnskabsmænd til yderligere at indsnævre kløften mellem fysik og kemi, og at demonstrere, at stadig mere komplekse molekyler kan studeres og kontrolleres. Han tilføjede, at en nøgle til succesen med den nye undersøgelse var inddragelsen af ​​eksperter fra forskellige områder:eksperimentelle fysikere, teoretiske fysikere og en fysisk kemiker.

En nøglespiller i forskningen er allerede ved at skabe sig et navn i Hollywood. En enhed kaldet det integrerede ion-trap-time-of-flight massespektrometer, som blev opfundet af Hudsons laboratorium, og som blev brugt til at opdage reaktionen - var med i en nylig episode af sitcom "The Big Bang Theory".

"Enheden gør det muligt for os at detektere og identificere produkterne af reaktioner på enkeltpartikelniveau, og for os, det har virkelig været en bro mellem kemi og fysik, " sagde Michael Mills, en UCLA kandidatstuderende, der arbejdede på projektet. "Vi var glade for at se, at det blev opfanget af showet."