Natuurkundigen van de UCLA hebben een methode ontwikkeld om een ​​uniek nieuw molecuul te maken dat uiteindelijk in de geneeskunde kan worden toegepast. voedingswetenschap en andere gebieden. Hun onderzoek, die ook laat zien hoe chemische reacties op microscopische schaal kunnen worden bestudeerd met behulp van natuurkundige hulpmiddelen, wordt gerapporteerd in het journaal Wetenschap .

De afgelopen 200 jaar heeft wetenschappers hebben regels ontwikkeld om chemische reacties te beschrijven die ze hebben waargenomen, inclusief reacties in voedsel, vitamines, medicijnen en levende organismen. Een van de meest voorkomende is de "octetregel, " waarin staat dat elk atoom in een molecuul dat wordt geproduceerd door een chemische reactie, acht elektronen in een buitenste baan om de aarde zal hebben. (Wetenschappers hebben uitzonderingen op de regel gevonden, maar die uitzonderingen zijn zeldzaam.)

Maar het molecuul gemaakt door UCLA-professor Eric Hudson en collega's schendt die regel. Barium-zuurstof-calcium, of BaOCa+, is het eerste molecuul dat ooit door wetenschappers is waargenomen en dat is samengesteld uit een zuurstofatoom dat is gebonden aan twee verschillende metaalatomen.

Normaal gesproken, één metaalatoom (barium of calcium) kan reageren met een zuurstofatoom om een ​​stabiel molecuul te produceren. Echter, toen de UCLA-wetenschappers een tweede metaalatoom aan de mix toevoegden, een nieuw molecuul, BaOCa+, die niet langer voldeden aan de octetregel, was gevormd.

Andere moleculen die de octetregel schenden zijn eerder waargenomen, maar de UCLA-studie is een van de eersten die een dergelijk molecuul heeft waargenomen met behulp van hulpmiddelen uit de natuurkunde, namelijk lasers, ionenvallen en ultrakoude atoomvallen.

Hudson's laboratorium gebruikte laserlicht om kleine hoeveelheden van de reactantatomen en moleculen af ​​te koelen tot een extreem lage temperatuur - een duizendste van een graad boven het absolute nulpunt - en ze vervolgens te laten zweven in een ruimte kleiner dan de breedte van een mensenhaar, binnenkant van een vacuümkamer. Onder deze sterk gecontroleerde omstandigheden, de wetenschappers konden eigenschappen van de atomen en moleculen waarnemen die anders aan het zicht onttrokken zijn, en de 'natuurkundige hulpmiddelen' die ze gebruikten, stelden hen in staat een monster van atomen vast te houden en chemische reacties molecuul voor molecuul te observeren.

De ultrakoude temperaturen die in het experiment worden gebruikt, kunnen ook worden gebruikt om de reactie te simuleren zoals deze in de ruimte zou plaatsvinden. Dat zou wetenschappers kunnen helpen begrijpen hoe bepaalde complexe moleculen, waaronder enkele die voorlopers van het leven zouden kunnen zijn, ontstond in de ruimte, zei Hudson.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer ze calcium en bariummethoxide in hun systeem samenbrachten onder normale omstandigheden, ze zouden niet reageren omdat de atomen geen manier konden vinden om zichzelf te herschikken om een ​​stabiel molecuul te vormen. Echter, toen de wetenschappers een laser gebruikten om de verdeling van de elektronen in het calciumatoom te veranderen, de reactie verliep snel, het produceren van een nieuw molecuul, CaOBa+.

De aanpak maakt deel uit van een nieuw, op fysica geïnspireerd deelgebied van de chemie dat gebruikmaakt van de instrumenten van ultrakoude fysica, zoals lasers en elektromagnetisme, om te observeren en te controleren hoe en wanneer reacties van één deeltje plaatsvinden.

UCLA afgestudeerde student Prateek Puri, hoofdonderzoeker van het project, zei dat het experiment niet alleen laat zien hoe deze technieken kunnen worden gebruikt om exotische moleculen te maken, maar ook hoe ze kunnen worden gebruikt om belangrijke reacties teweeg te brengen. De ontdekking kan uiteindelijk worden gebruikt om nieuwe methoden te creëren voor het conserveren van voedsel (door ongewenste chemische reacties tussen voedsel en het milieu te voorkomen) of om veiligere medicijnen te ontwikkelen (door het elimineren van de chemische reacties die negatieve bijwerkingen veroorzaken).

"Experimenten zoals deze effenen de weg voor het ontwikkelen van nieuwe methoden voor het beheersen van chemie, "Zei Puri. "We creëren in wezen 'aan-knoppen' voor reacties."

Hudson zei dat hij hoopt dat het werk andere wetenschappers zal aanmoedigen om de kloof tussen natuurkunde en scheikunde verder te verkleinen. en om aan te tonen dat steeds complexere moleculen kunnen worden bestudeerd en gecontroleerd. Hij voegde eraan toe dat een sleutel tot het succes van de nieuwe studie de betrokkenheid van experts uit verschillende vakgebieden was:experimentele natuurkundigen, theoretisch fysici en een fysisch chemicus.

Een hoofdrolspeler in het onderzoek maakt al naam in Hollywood. Een apparaat genaamd de geïntegreerde ion-trap-time-of-flight massaspectrometer, die werd uitgevonden door Hudson's lab en die werd gebruikt om de reactie te ontdekken - was te zien in een recente aflevering van de sitcom 'The Big Bang Theory'.

"Het apparaat stelt ons in staat om de producten van reacties op het niveau van één deeltjes te detecteren en te identificeren, en voor ons, het is echt een brug geweest tussen scheikunde en natuurkunde, " zei Michael Mills, een UCLA-afgestudeerde student die aan het project werkte. "We waren verheugd om te zien dat het werd opgepikt door de show."