Wetenschappers van de Universiteit van Toronto hebben een manier gevonden om de uitkomst van een chemische reactie te selecteren door gebruik te maken van een ongrijpbare en lang gezochte factor die bekend staat als de 'impactparameter'.

Het team van U of T-chemici, onder leiding van Nobelprijswinnaar John Polanyi, een middel hebben gevonden om de impactparameter of miss-afstand te selecteren waarmee een reagensmolecuul een doelmolecuul mist, waardoor de producten van chemische reactie veranderen. De bevindingen worden vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

"Chemici gooien de hele tijd moleculen naar andere moleculen in de hoop iets nieuws te maken, " zegt Polanyi, Universiteitshoogleraar in de afdeling Scheikunde aan de U of T. "In deze studie hebben we een manier gevonden om de uitkomst te beheersen door een projectielmolecuul op een doelmolecuul te richten, met een nauwkeurigheid van een kleine fractie van de diameter van het doelmolecuul."

Moleculaire dynamiek in de chemie lijkt veel op een spelletje biljart. Net zoals een biljarter de inkomende bal naar de doelbal stuurt, scheikundigen lanceren het ene molecuul naar het andere om een ​​chemische reactie te veroorzaken. Echter, dit kan gedaan worden, het is nu duidelijk, hetzij bij toeval, zoals de norm is geweest, of door ontwerp zoals het nieuwe werk laat zien mogelijk te zijn.

Voorheen heeft de inherente willekeur in moleculaire bewegingen scheikundigen verhinderd om hun projectielmoleculen op de chemische doelen te richten, zoals biljarters dat doen. In plaats daarvan, ze zijn verplicht hun potje biljart blindelings te spelen.

"In de loop der jaren zijn scheikundigen heel goed geworden in blind biljarten, kleverige ballen gebruiken en ze sterk of zwak gooien, ', zegt Polanyi. 'Maar we hebben een manier gevonden om de blinddoek af te doen, en richt elk schot."

De onderzoekers bereikten dit door moleculen af ​​te zetten op een metaalkristal, en vervolgens een kleine stroom van een atomair scherpe metalen punt op een van de moleculen aanleggen. Deze toevoeging van energie zorgde ervoor dat een 'projectiel'-molecuul in een rechte lijn over het oppervlak schoot, langs een van de railachtige richels op het metalen kristal naar een nabijgelegen 'doel'-molecuul dat op het kristal aanwezig is, het met een gecontroleerde hoeveelheid missen.

Verschillende miss-afstanden, 'impactparameters' genoemd, reproduceerbaar werden getoond om verschillende resultaten te geven, dat wil zeggen verschillende reactiepatronen.

"Het onderliggende kristallijne oppervlak is onze biljarttafel, " zei Kelvin Anggara, een postdoctoraal onderzoeker in de onderzoeksgroep van Polanyi en een hoofdauteur van de studie. "Door gebruik te maken van de groeven die de natuur gemakkelijk over het oppervlak van kristallen heeft gemaakt, we ontdekten dat we het reizende moleculaire projectiel zo konden leiden dat het het doelwit frontaal of in een blikbotsing raakte die het doelwit met een gewenste hoeveelheid miste. Op die manier, net als bij biljart, we kunnen de uitkomst van de moleculaire botsing controleren."

Het selecteren van de miss-distance- of impactparameter bij botsingen tussen reagensmoleculen werd tot nu toe de "verboden vrucht van reactiedynamica" genoemd door professor Dudley R. Herschbach van de universiteit van Harvard, met wie Polanyi samen met Yuan T. Lee in 1986 de Nobelprijs voor de Scheikunde deelde. Terwijl de ontdekkingen van het trio scheikundigen in staat stelden om veel van de krachten af ​​te leiden die in een chemische reactie spelen, de impactparameter heeft directe controle getrotseerd.

Dit geldt zelfs in de beroemde goed gecontroleerde omstandigheden van "gekruiste moleculaire bundels". Vaak wordt over het hoofd gezien dat hoewel de balken bij deze elegante methode op elkaar gericht zijn, de moleculen niet. Nu kunnen de afzonderlijke moleculen op elkaar worden gericht, heel precies.

"Wij geloven dat dit een grote stap voorwaarts is in de beheersing van chemische reacties, " zei Angara, die het onderzoek samen met Polanyi uitvoerde, senior onderzoeksmedewerker Lydie Leung en afgestudeerde student Matthew Timm.