Kemikere fremmer evnen til at kontrollere kemiske reaktioner

Forskere ved University of Toronto har fundet en måde at udvælge resultatet af kemisk reaktion ved at bruge en undvigende og længe søgt faktor kendt som 'påvirkningsparameteren'.

Holdet af U of T kemikere, ledet af den nobelprisvindende forsker John Polanyi, har fundet et middel til at vælge den effektparameter eller miss-distance, hvormed et reagensmolekyle savner et målmolekyle, derved ændre produkterne af kemisk reaktion. Resultaterne er offentliggjort i dag i Videnskabens fremskridt .

"Kemikere kaster molekyler mod andre molekyler hele tiden i håb om at lave noget nyt, "siger Polanyi, Universitetsprofessor i Institut for Kemi ved U of T. "I denne undersøgelse har vi fundet en måde at kontrollere resultatet ved at rette et projektilmolekyle mod et målmolekyle, med en nøjagtighed på en lille brøkdel af målmolekylets diameter. "

Molekylær dynamik i kemi er meget som et spil billard. Ligesom en billardspiller sender den indkommende bold mod målbolden, kemikere sender et molekyle mod et andet for at frembringe en kemisk reaktion. Imidlertid, dette kan lade sig gøre, det er nu klart, enten tilfældigt, som det har været normen, eller ved design, som det nye arbejde viser at være muligt.

Tidligere har den iboende tilfældighed i molekylære bevægelser forhindret kemikere i at rette deres projektilmolekyler mod de kemiske mål, som billardspillere gør. I stedet, de har været tvunget til at spille deres spil billard med bind for øjnene.

"I årenes løb er kemikere blevet meget gode til at spille billard med bind for øjnene, bruge klæbrige bolde og kaste dem kraftigt eller svagt, "Polanyi siger." Men vi har fundet en måde at fjerne bind for øjnene, og sigt hvert skud."

Forskerne opnåede dette ved at afsætte molekyler på en metalkrystal, derefter påføre en lille strøm fra en atomisk skarp metalspids til et af molekylerne. Denne tilførsel af energi fik et 'projektil'-molekyle til at skyde hen over overfladen i en lige linje, langs en af ​​de skinnelignende kamme på metalkrystallen mod et nærliggende "mål"-molekyle, der er til stede på krystallen, mangler det med en kontrolleret mængde.

Forskellige miss-distancer, kaldet 'påvirkningsparametre', blev vist reproducerbart for at give forskellige resultater, det vil sige forskellige reaktionsmønstre.

"Den underliggende krystallinske overflade er vores billardbord, " sagde Kelvin Anggara, en postdoc i Polanyis forskningsgruppe og hovedforfatter af undersøgelsen. "Ved at udnytte de riller, som naturen bekvemt har scoret på tværs af overfladen af ​​krystaller, vi fandt ud af, at vi kunne styre det vandrende molekylære projektil, så det ramte målet enten frontalt eller i en bliksammenstød, der missede målet med en ønsket mængde. Den vej, ligesom i billard, vi kan kontrollere resultatet af den molekylære kollision."

Valg af fejlafstand eller stødparameter i kollisioner mellem reagensmolekyler er indtil nu blevet betegnet som "den forbudte frugt af reaktionsdynamik" af Harvard University professor Dudley R. Herschbach, med hvem Polanyi delte 1986 Nobelprisen i kemi sammen med Yuan T. Lee. Mens opdagelserne gjort af trioen gjorde det muligt for kemikere at udlede mange af de kræfter, der var på spil i en kemisk reaktion, indvirkningsparameteren har trodset direkte kontrol.

Dette er sandt, selv under de berømt velkontrollerede forhold ved "krydsede molekylære bjælker". Det overses ofte, at selvom bjælkerne i denne elegante metode er rettet mod hinanden, det er molekylerne ikke. Nu kan de enkelte molekyler rettes mod hinanden, ret præcist.

"Vi mener, at dette er et stort skridt fremad i kontrollen af ​​kemiske reaktioner, " sagde Anggara, som udførte undersøgelsen sammen med Polanyi, seniorforsker Lydie Leung og kandidatstuderende Matthew Timm.