Et forsøg foreslået af en ph.d. elev kan omskrive kemi lærebøger

Ryan McMullen havde aldrig hørt om USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences, da han begyndte at caste til en kandidatuddannelse i kemi. Men på anbefaling af en af ​​hans professorer, han sendte en e-mail til kollegiets professor i kemi Stephen Bradforth, hvor han foreslog et eksperiment, der skulle drille ud af, hvad der virkelig gør et metal til et metal.

Forslaget ville ikke kun blive til hans ph.d. afhandling, men et stort videnskabeligt gennembrud.

McMullens forslag var ikke let at sælge. Eksperimentet ville være dyrt og muligvis farligt.

De akademikere McMullen kontaktede på andre amerikanske forskningsuniversiteter fortalte ham, at de havde midler til deres egen forskning, men ikke for hans. Men Bradforth havde et andet svar.

"Han sagde, 'Jeg har ikke finansiering til din idé, men hvis du kommer herover, kan vi skrive et finansieringsforslag sammen, " sagde McMullen, som på det tidspunkt var ved at afslutte sine bachelorstudier ved University of Bristol i Storbritannien.

Bradforth hjalp ikke kun McMullen med at sikre finansiering, at prioritere det til National Science Foundation-støtte frem for at fortsætte andre projekter, men han sammensatte også et internationalt hold af videnskabsmænd og arrangerede sit sabbatår for at overvåge og deltage i de vigtigste eksperimenter. Han blev også McMullens ph.d. rådgiver.

Bradforth omkonfigurerede sit laboratorium for at beskytte dets videnskabsmænd. Forsøget krævede flydende ammoniak, som kan være let giftig, og alkalimetal, som kan eksplodere, hvis den rører vand.

"Mit laboratorium ser anderledes ud på grund af dette, " bemærkede Bradforth, der også er afdelingsdekan for naturvidenskab og matematik.

Indsatsen var resultatet værd. Eksperimentet afslørede resultater, der er "den slags ting, der går i lærebøger, eller i det mindste ændrer, hvordan lærebøger skrives, " sagde Bradforth, bemærker værkets potentielt historiske betydning. Det ville også opnå den eftertragtede udmærkelse som forsiden af ​​magasinet Science den 5. juni.

Går i fuld metal

Projektet så på et grundlæggende spørgsmål:Hvilke egenskaber er iboende for et metal, og hvilke er tilfældige?

Intuition tyder på, at metaller er tætte, og selvom det gælder for nogle (tænk guld eller bly), det formår ikke at holde for andre. For eksempel, lithium - almindeligvis brugt i batterier - flyder på vandet. Nogle metaller er hårde, såsom titanium, atter andre giver let efter for pres, inklusive indium og aluminium. Hvad med smeltetemperatur? Platin smelter ved mere end 1, 700 grader Celsius (3, 200 F), men kviksølv er en væske et godt stykke under nul.

Mange andre definitioner af 'metalhætte' lider af lignende modsætninger, men kun metaller er i stand til at lede elektricitet. Ledning, i modsætning til tæthed eller hårdhed, er en iboende egenskab for alle metaller.

Forsøger at forstå de iboende egenskaber af metaller, Bradforth, McMullen og deres kolleger brugte et trick, som først blev bemærket af kemiker Sir Humphry Davy i 1809. Kort sagt, de lavede et metal fra bunden.

Forskerne afkølede ammoniak - normalt en gas ved stuetemperatur - til minus 33 C for at gøre det flydende og tilføjede derefter, i separate forsøg, alkalimetallerne lithium, natrium og kalium.

I disse løsninger, elektroner fra alkalimetallet bliver i starten fanget i hullerne mellem ammoniakmolekyler. Dette skaber det, forskerne kalder 'solvaterede elektroner, som er meget reaktive, men stabiliserede i ammoniakken. Disse løsninger har en karakteristisk blå farve. Men givet nok solvaterede elektroner, hele væsken bliver bronze og, i det væsentlige, bliver et metal, mens det forbliver flydende.

Solvatiserede elektroner har vist sig at være vigtige for organiske kemikere. Gennem en reaktion kaldet "Birkereduktionen, "opkaldt efter kemiker Arthur Birch, de var nøglen til at syntetisere mange vigtige forbindelser og førte til fremstillingen af ​​orale præventionsmidler i 1950'erne.

Stråler ind på elektroner

Forskerne målte derefter den mængde energi, der var nødvendig for at støde de solvatiserede elektroner ud af metallisk ammoniak ved hjælp af en ekstremt lys og fokuseret røntgenstråle baseret i Berlin.

I et første eksperiment nogensinde, de tvang forskellige koncentrationer af den metalliske ammoniak gennem en mikrostråle, som skabte en strøm omtrent på bredden af ​​et menneskehår, der så passerede gennem en hårtynd røntgenstråle.

Resultaterne viste, at ved lave koncentrationer, solvatiserede elektroner blev lettere løsnet fra opløsningen ved interaktion med røntgenstrålerne, giver et simpelt energimønster. Ved højere koncentrationer, selvom, energimønstret udviklede pludselig en skarp båndkant, hvilket indikerer, at løsningen opførte sig, som et metal ville.

Mens de praktiske implikationer af resultatet kræver yderligere forskning, eksperimentet åbner et nyt vindue for kemikere til at syntetisere vigtige organiske forbindelser. Ligesom Birch-reduktionen førte til orale præventionsmidler, så, også, kunne dette eksperiment føre til nye forbindelser til brug på utallige måder.

Jersey dreng

McMullen, en indfødt Jersey (den europæiske original, ikke nabostaten til New York), planlægger at vende tilbage til sit laboratorium på USC Dornsife inden for et par uger. Men han har ikke ladet COVID-19-pandemien bremse ham. Altid nysgerrig efter hvordan elektronik fungerer, han har udført eksperimenter - sikkert, selvfølgelig - fra hans lejlighed i Long Beach, Californien, ved hjælp af komponenter, han købte på e-Bay.

Efter at have afsluttet sin ph.d. McMullen, den første i hans familie, der gik på college, planlægger at forfølge et postdoc-stipendium, selvom han ikke er sikker på, hvor eller hvad han vil fokusere på. Han ved, imidlertid, at han ønsker at blive i den akademiske verden. Hvor han end lander, det er næsten sikkert, at kemiens verden vil høre fra ham igen.

"Jeg kan godt lide at lave de eksotiske ting."