Wetenschappers hebben de kleinst mogelijke stukjes diamant en andere superharde stippen veranderd in 'moleculaire aambeelden' die moleculen samenknijpen en draaien totdat chemische bindingen breken en atomen elektronen uitwisselen. Dit zijn de eerste van dergelijke chemische reacties die alleen door mechanische druk worden veroorzaakt, en onderzoekers zeggen dat de methode een nieuwe manier biedt om chemie op moleculair niveau te doen die groener is, efficiënter en veel nauwkeuriger.

Het onderzoek werd geleid door wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University, die hun bevindingen rapporteerden in Natuur vandaag.

"In tegenstelling tot andere mechanische technieken, die in feite moleculen trekken totdat ze uit elkaar vallen, we laten zien dat druk van moleculaire aambeelden zowel chemische bindingen kan verbreken als een ander type reactie kan veroorzaken waarbij elektronen van het ene atoom naar het andere gaan, " zei Hao Yan, een natuurwetenschappelijk onderzoeksmedewerker bij SIMES, het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, en een van de hoofdauteurs van de studie.

"We kunnen moleculaire aambeelden gebruiken om veranderingen op een specifiek punt in een molecuul teweeg te brengen, terwijl we de gebieden beschermen die we niet willen veranderen, " hij zei, "en dit schept veel nieuwe mogelijkheden."

Een mechanisch aangedreven reactie heeft het potentieel om totaal andere producten te produceren van dezelfde uitgangsingrediënten dan een reactie die op de conventionele manier door warmte wordt aangedreven. licht of elektrische stroom, zei studie co-auteur Nicholas Melosh, een SIMES-onderzoeker en universitair hoofddocent bij SLAC en Stanford. Het is ook veel energiezuiniger, en omdat het geen warmte of oplosmiddelen nodig heeft, het moet milieuvriendelijk zijn.

De druk op materialen zetten met diamanten

De experimenten werden uitgevoerd met een diamanten aambeeldcel ter grootte van een espressokopje in het laboratorium van Wendy Mao, een co-auteur van het artikel die een universitair hoofddocent is bij SLAC en Stanford en een onderzoeker bij SIMES, dat is een gezamenlijk SLAC/Stanford-instituut.

Diamanten aambeeldcellen persen materialen tussen de afgeplatte uiteinden van twee diamanten en kunnen enorme druk bereiken - meer dan 500 gigapascal, of ongeveer anderhalf keer de druk in het centrum van de aarde. Ze worden gebruikt om te onderzoeken hoe mineralen diep in de aarde eruit zien en hoe materialen onder druk ongebruikelijke eigenschappen ontwikkelen. onder andere.

Deze druk wordt op een verrassend eenvoudige manier bereikt, door schroeven aan te draaien om de diamanten dichter bij elkaar te brengen, zei Mao. "Druk is kracht per oppervlakte-eenheid, en we persen een kleine hoeveelheid monster tussen de toppen van twee kleine diamanten die elk slechts ongeveer een kwart karaat wegen, " ze zei, "dus je hebt maar een bescheiden hoeveelheid kracht nodig om hoge druk te bereiken."

Omdat de diamanten transparant zijn, licht kan er doorheen gaan en het monster bereiken, zei Yu Lin, een SIMES associate staff scientist die het hogedrukgedeelte van het experiment leidde.

"We kunnen veel experimentele technieken gebruiken om de reactie te bestuderen terwijl het monster wordt gecomprimeerd, "zei ze. "Bijvoorbeeld, als we een röntgenstraal in het monster laten schijnen, het monster reageert door het licht te verstrooien of te absorberen, die door de diamant teruggaat naar een detector. Door het signaal van dat licht te analyseren, weet je of er een reactie is opgetreden."

Wat er meestal gebeurt als je in een monster knijpt, is dat het uniform vervormt, waarbij alle bindingen tussen atomen met dezelfde hoeveelheid krimpen, zei Melosh.

Toch is dit niet altijd het geval, hij zei:"Als je een materiaal comprimeert dat zowel harde als zachte componenten heeft, zoals koolstofvezels ingebed in epoxy, de bindingen in de zachte epoxy zullen veel meer vervormen dan die in de koolstofvezel."

Ze vroegen zich af of ze datzelfde principe konden gebruiken om specifieke bindingen in een individueel molecuul te buigen of te verbreken.

Wat hen in die richting aan het denken zette, was een reeks experimenten die Melosh' team had gedaan met diamantoïden, de kleinst mogelijke stukjes diamant, die met het blote oog onzichtbaar zijn en minder dan een miljardste van een miljardste karaat wegen. Melosh is mede-directeur van een gezamenlijk SLAC-Stanford-programma dat diamandoïden isoleert uit petroleumvloeistof en zoekt naar manieren om ze te gebruiken. In een recente studie, zijn team had diamantoïden bevestigd aan kleinere, zachtere moleculen om Lego-achtige blokken te maken die zichzelf assembleerden tot de dunst mogelijke elektrische draden, met een geleidende kern van zwavel en koper.

Zoals koolstofvezels in epoxy, deze bouwstenen bevatten harde en zachte delen. Als het in een diamanten aambeeld wordt gedaan, zouden de harde delen fungeren als mini-aambeelden die de zachte delen op een niet-uniforme manier knijpen en vervormen?

Het antwoord, ze kwamen erachter, was ja.

Kleine aambeelden openen nieuwe mogelijkheden

Voor hun eerste experimenten, ze gebruikten koperzwavelclusters - kleine deeltjes bestaande uit acht atomen - bevestigd aan moleculaire aambeelden gemaakt van een ander stijf molecuul genaamd carboraan. Ze stopten deze combinatie in de diamanten aambeeldcel en voerden de druk op.

Toen de druk hoog genoeg werd, atomaire bindingen in het nanodraadcluster braken, maar dat is niet alles. Elektronen verplaatsten zich van de zwavelatomen naar de koperatomen en er vormden zich zuivere koperkristallen, die niet zou zijn opgetreden in conventionele reacties aangedreven door warmte, aldus de onderzoekers. Ze ontdekten een point of no return waar deze verandering onomkeerbaar wordt. Onder dat drukpunt, het nanodraadcluster keert terug naar zijn oorspronkelijke staat wanneer de druk wordt verwijderd.

Computerstudies onthulden wat er was gebeurd:druk van de diamanten aambeeldcel bewoog de moleculaire aambeelden, en ze persten op hun beurt chemische bindingen in de cluster, die ze minstens 10 keer meer comprimeerden dan hun eigen obligaties waren gecomprimeerd. Deze compressie was ook ongelijk, Jan zei, en het verbogen of verdraaide sommige bindingen van de nanodraadcluster op een manier die ervoor zorgde dat bindingen verbraken, elektronen om te bewegen en koperkristallen om te vormen.

andere experimenten, dit keer met diamandoïden als moleculaire aambeelden, toonde aan dat kleine veranderingen in de afmetingen en posities van de kleine aambeelden het verschil kunnen maken tussen het veroorzaken van een reactie of het beschermen van een deel van een molecuul zodat het niet buigt of reageert.

De wetenschappers konden deze veranderingen met verschillende technieken waarnemen, inclusief elektronenmicroscopie bij Stanford en röntgenmetingen bij twee DOE Office of Science gebruikersfaciliteiten - de Advanced Light Source bij Lawrence Berkeley National Laboratory en de Advanced Photon Source bij Argonne National Laboratory.

"Dit is spannend, en het opent een heel nieuw veld, ' zei Mao. 'Van onze kant, we zijn geïnteresseerd in hoe druk een breed scala aan technologisch interessante materialen kan beïnvloeden, van supergeleiders die elektriciteit zonder verlies overbrengen naar halideperovskieten, die veel potentie hebben voor de volgende generatie zonnecellen. Als we eenmaal begrijpen wat er mogelijk is vanuit een heel basaal wetenschappelijk oogpunt, kunnen we nadenken over de meer praktische kant."

Vooruit gaan, de onderzoekers willen deze techniek ook gebruiken om te kijken naar reacties die op conventionele manieren moeilijk uit te voeren zijn en kijken of compressie ze gemakkelijker maakt, zei Jan.

"Als we groot willen dromen, kan compressie ons helpen koolstofdioxide uit de lucht om te zetten in brandstof, of stikstof uit de lucht in kunstmest?" zei hij. "Dit zijn enkele van de vragen die mensen met moleculaire aambeelden kunnen onderzoeken."