I en første, små diamantambolte udløser kemiske reaktioner ved at klemme

Forskere har forvandlet de mindst mulige stykker diamant og andre superhårde pletter til "molekylære ambolte", der klemmer og vrider molekyler, indtil kemiske bindinger brydes, og atomer udveksler elektroner. Dette er de første sådanne kemiske reaktioner udløst af mekanisk tryk alene, og forskere siger, at metoden tilbyder en ny måde at lave kemi på molekylært niveau, der er grønnere, mere effektiv og meget mere præcis.

Forskningen blev ledet af forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University, der rapporterede deres resultater i Natur i dag.

"I modsætning til andre mekaniske teknikker, som dybest set trækker molekyler, indtil de går i stykker, vi viser, at tryk fra molekylære ambolte både kan bryde kemiske bindinger og udløse en anden type reaktion, hvor elektroner bevæger sig fra et atom til et andet, " sagde Hao Yan, en fysisk videnskabelig forskningsassistent ved SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, og en af ​​studiets hovedforfattere.

"Vi kan bruge molekylære ambolte til at udløse ændringer på et bestemt punkt i et molekyle, mens vi beskytter de områder, vi ikke ønsker at ændre, " han sagde, "og det skaber en masse nye muligheder."

En reaktion, der er mekanisk drevet, har potentialet til at producere helt andre produkter ud fra de samme startingredienser end en reaktion, der drives på den konventionelle måde af varme, lys eller elektrisk strøm, sagde studie medforfatter Nicholas Melosh, en SIMES-forsker og lektor ved SLAC og Stanford. Det er også meget mere energieffektivt, og fordi det ikke har brug for varme eller opløsningsmidler, det skal være miljøvenligt.

Squeeze på materialer med diamanter

Eksperimenterne blev udført med en diamantamboltcelle på størrelse med en espressokop i Wendy Maos laboratorium, en medforfatter til papiret, som er lektor ved SLAC og Stanford og en efterforsker ved SIMES, som er et fælles SLAC/Stanford institut.

Diamantamboltceller klemmer materialer mellem de flade spidser af to diamanter og kan nå et enormt tryk - over 500 gigapascal, eller omkring halvanden gange trykket i jordens centrum. De bruges til at udforske, hvordan mineraler dybt inde i Jorden er, og hvordan materialer under tryk udvikler usædvanlige egenskaber, blandt andet.

Disse pres nås på en overraskende ligetil måde, ved at stramme skruer for at bringe diamanterne tættere på hinanden, sagde Mao. "Tryk er kraft pr. arealenhed, og vi komprimerer en lille mængde prøve mellem spidserne af to små diamanter, der hver kun vejer omkring en kvart karat, " hun sagde, "så du behøver kun en beskeden mængde kraft for at nå høje tryk."

Da diamanterne er gennemsigtige, lys kan gå igennem dem og nå prøven, sagde Yu Lin, en SIMES-medarbejder, der ledede højtryksdelen af ​​eksperimentet.

"Vi kan bruge en masse eksperimentelle teknikker til at studere reaktionen, mens prøven er komprimeret, sagde hun. "For eksempel, når vi kaster en røntgenstråle ind i prøven, prøven reagerer ved at sprede eller absorbere lyset, som rejser tilbage gennem diamanten ind i en detektor. At analysere signalet fra det lys fortæller dig, om der er opstået en reaktion."

Det, der normalt sker, når du klemmer en prøve, er, at den deformeres ensartet, hvor alle bindingerne mellem atomer krymper lige meget, sagde Melosh.

Men det er ikke altid tilfældet, han sagde:"Hvis du komprimerer et materiale, der har både hårde og bløde komponenter, såsom kulfibre indlejret i epoxy, bindingerne i den bløde epoxy vil deformere meget mere end dem i kulfiberen."

De spekulerede på, om de kunne udnytte det samme princip til at bøje eller bryde specifikke bindinger i et individuelt molekyle.

Det, der fik dem til at tænke i den retning, var en række eksperimenter, som Melosh's hold havde lavet med diamantoider, de mindst mulige stykker diamant, som er usynlige for det blotte øje og vejer mindre end en milliardtedel af en milliardtedel af en karat. Melosh er med til at lede et fælles SLAC-Stanford-program, der isolerer diamantoider fra petroleumsvæske og leder efter måder at bruge dem på. I en nylig undersøgelse, hans hold havde knyttet diamanter til mindre, blødere molekyler til at skabe lego-lignende klodser, der samles i de tyndest mulige elektriske ledninger, med en ledende kerne af svovl og kobber.

Ligesom kulfibre i epoxy, disse byggesten indeholdt hårde og bløde dele. Hvis den sættes i en diamantambolt, ville de hårde dele fungere som mini-ambolte, der klemmer og deformerer de bløde dele på en uensartet måde?

Svaret, de opdagede, var ja.

Små ambolte åbner nye muligheder

Til deres første eksperimenter, de brugte kobbersvovlklynger - bittesmå partikler bestående af otte atomer - knyttet til molekylære ambolte lavet af et andet stift molekyle kaldet carboran. De satte denne kombination ind i diamantamboltcellen og skruede op for trykket.

Da trykket blev højt nok, atombindinger i nanotrådsklyngen brød, men det er ikke alt. Elektroner flyttede fra dets svovlatomer til dets kobberatomer, og der blev dannet rene krystaller af kobber, som ikke ville have fundet sted i konventionelle reaktioner drevet af varme, sagde forskerne. De opdagede et point of no return, hvor denne ændring bliver irreversibel. Under dette trykpunkt, nanowire-klyngen går tilbage til sin oprindelige tilstand, når trykket fjernes.

Beregningsundersøgelser afslørede, hvad der var sket:Tryk fra diamantamboltcellen flyttede de molekylære ambolte, og de pressede igen kemiske bindinger i klyngen, komprimere dem mindst 10 gange mere end deres egne bindinger var blevet komprimeret. Denne kompression var også ujævn, Yan sagde, og den bøjede eller snoede nogle af nanotrådsklyngens bindinger på en måde, der fik bindinger til at bryde, elektroner til at bevæge sig og kobberkrystaller til at danne.

Andre eksperimenter, denne gang med diamantoider som molekylære ambolte, viste, at små ændringer i størrelsen og positionerne af de små ambolte kan gøre forskellen mellem at udløse en reaktion eller at beskytte en del af et molekyle, så det ikke bøjer eller reagerer.

Forskerne var i stand til at observere disse ændringer med flere teknikker, inklusive elektronmikroskopi ved Stanford og røntgenmålinger på to DOE Office of Science brugerfaciliteter - Advanced Light Source ved Lawrence Berkeley National Laboratory og Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory.

"Det her er spændende, og det åbner et helt nyt felt, " sagde Mao. "Fra vores side, vi er interesserede i at se på, hvordan tryk kan påvirke en bred vifte af teknologisk interessante materialer, fra superledere, der overfører elektricitet uden tab til halogenidperovskitter, som har et stort potentiale for næste generations solceller. Når vi først forstår, hvad der er muligt fra et meget grundlæggende videnskabeligt synspunkt, kan vi tænke på den mere praktiske side."

Fremadrettet, forskerne ønsker også at bruge denne teknik til at se på reaktioner, der er svære at udføre på konventionelle måder, og se om kompression gør dem lettere, sagde Yan.

"Hvis vi vil drømme stort, kan kompression hjælpe os med at omdanne kuldioxid fra luften til brændstof, eller nitrogen fra luften til gødning?" sagde han. "Dette er nogle af de spørgsmål, som molekylære ambolte vil give folk mulighed for at udforske."