Ryan McMullen had nog nooit gehoord van het USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences toen hij begon te casten voor een graduaat scheikundeprogramma. Maar op aanbeveling van een van zijn professoren, hij stuurde een e-mail naar Stephen Bradforth, hoogleraar scheikunde van de universiteit, met een voorstel voor een experiment om uit te zoeken wat een metaal echt een metaal maakt.

Het voorstel zou niet alleen zijn Ph.D. proefschrift maar een grote wetenschappelijke doorbraak.

Het voorstel van McMullen was niet gemakkelijk te verkopen. Het experiment zou duur en mogelijk gevaarlijk zijn.

De academici waarmee McMullen contact had op andere Amerikaanse onderzoeksuniversiteiten vertelden hem dat ze geld hadden voor hun eigen onderzoek. maar niet voor hem. Maar Bradforth had een ander antwoord.

"Hij zei, 'Ik heb geen financiering voor uw idee, maar als u hier komt, kunnen we samen een financieringsvoorstel schrijven, '" zei McMullen, die op dat moment zijn bachelorstudie aan de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk afrondde.

Bradforth hielp McMullen niet alleen om financiering rond te krijgen, het voorrang geven aan ondersteuning van de National Science Foundation boven het voortzetten van andere projecten, maar hij stelde ook een internationaal team van wetenschappers samen en regelde zijn sabbatical om toezicht te houden op en deel te nemen aan de belangrijkste experimenten. Hij werd ook McMullen's Ph.D. adviseur.

Bradforth heeft zijn lab opnieuw geconfigureerd om de wetenschappers te beschermen. Het experiment vereiste vloeibare ammoniak, die licht giftig kunnen zijn, en alkalimetaal, die kan ontploffen als hij in aanraking komt met water.

"Mijn lab ziet er hierdoor anders uit, " merkte Bradforth op, die tevens decaan is voor natuurwetenschappen en wiskunde.

De inspanning was het resultaat meer dan waard. Het experiment bracht bevindingen aan het licht die "het soort dingen zijn dat in schoolboeken staat, of in ieder geval verandert hoe schoolboeken worden geschreven, "Bradforth zei, wijzend op het potentieel historische belang van het werk. Het zou ook de felbegeerde onderscheiding verdienen als de omslag van 5 juni van het tijdschrift Science.

Full metal gaan

Het project keek naar een fundamentele vraag:welke eigenschappen zijn inherent aan een metaal en welke zijn incidenteel?

Intuïtie suggereert dat metalen dicht zijn, en hoewel dat voor sommigen geldt (denk aan goud of lood), het faalt om op te houden voor anderen. Bijvoorbeeld, lithium, dat veel wordt gebruikt in batterijen, drijft op water. Sommige metalen zijn hard, zoals titaan, weer anderen geven gemakkelijk toe aan druk, inclusief indium en aluminium. Hoe zit het met de smelttemperatuur? Platina smelt bij meer dan 1, 700 graden Celsius (3, 200 F), maar kwik is een vloeistof ver onder nul.

Veel andere definities van 'metal-hood' lijden aan soortgelijke tegenstrijdigheden, maar alleen metalen kunnen elektriciteit geleiden. Geleiding, in tegenstelling tot dichtheid of hardheid, is een inherente eigenschap van alle metalen.

Op zoek naar meer inzicht in de intrinsieke eigenschappen van metalen, Bradforth, McMullen en hun collega's gebruikten een truc die voor het eerst werd opgemerkt door chemicus Sir Humphry Davy in 1809. ze maakten een metaal uit het niets.

De wetenschappers koelden ammoniak - normaal gesproken een gas bij kamertemperatuur - tot min 33 C om het vloeibaar te maken en voegden er vervolgens aan toe:in afzonderlijke experimenten, de alkalimetalen lithium, natrium en kalium.

Bij deze oplossingen elektronen van het alkalimetaal worden aanvankelijk gevangen in de openingen tussen ammoniakmoleculen. Dit creëert wat wetenschappers 'opgeloste elektronen' noemen, ' die zeer reactief zijn maar gestabiliseerd in de ammoniak. Deze oplossingen hebben een karakteristieke blauwe kleur. Maar gegeven genoeg gesolvateerde elektronen, de hele vloeistof wordt brons en, in essentie, wordt een metaal terwijl het vloeibaar blijft.

Opgeloste elektronen zijn belangrijk gebleken voor organische chemici. Door een reactie genaamd de "berkenreductie, " genoemd naar scheikundige Arthur Birch, ze waren de sleutel tot het synthetiseren van veel belangrijke verbindingen en leidden in de jaren vijftig tot de vervaardiging van orale anticonceptiva.

Stralend op elektronen

De wetenschappers maten vervolgens de hoeveelheid energie die nodig was om de gesolvateerde elektronen uit metallische ammoniak te stoten met behulp van een extreem heldere en gefocuste röntgenstraal in Berlijn.

In een allereerste experiment, ze dwongen verschillende concentraties van de metallische ammoniak door een microjet, die een stroom creëerde ongeveer de breedte van een mensenhaar die vervolgens door een haardunne röntgenstraal ging.

De resultaten toonden aan dat, bij lage concentraties, gesolvateerde elektronen werden gemakkelijker uit de oplossing losgemaakt door de interactie met de röntgenstralen, het geven van een eenvoudig energiepatroon. Bij hogere concentraties, Hoewel, het energiepatroon kreeg plotseling een scherpe bandrand, wat aangeeft dat de oplossing zich gedroeg zoals een metaal zou doen.

Hoewel de praktische implicaties van de uitkomst verder onderzoek behoeven, het experiment opent een nieuw venster voor chemici om belangrijke organische verbindingen te synthetiseren. Net zoals de berkreductie leidde tot orale anticonceptiva, dus, te, zou dit experiment kunnen leiden tot nieuwe verbindingen die op een onnoemelijk aantal manieren kunnen worden gebruikt.

Jersey jongen

McMullen, een inwoner van Jersey (het Europese origineel, niet de staat buurland New York), is van plan om binnen een paar weken terug te keren naar zijn lab bij USC Dornsife. Maar hij heeft de COVID-19-pandemie hem niet laten vertragen. Altijd nieuwsgierig naar hoe elektronica werkt, hij heeft experimenten uitgevoerd - veilig, natuurlijk - vanuit zijn appartement in Long Beach, Californië, met behulp van componenten die hij op e-Bay heeft gekocht.

Na het behalen van zijn Ph.D., McMullen, de eerste in zijn familie die naar de universiteit ging, plannen om een ​​postdoctoraal mandaat te volgen, hoewel hij niet zeker weet waar of waarop hij zich zal concentreren. Hij weet het wel, echter, dat hij in de academische wereld wil blijven. Waar hij ook landt, het is vrijwel zeker dat de wereld van de chemie weer van hem zal horen.

"Ik doe graag de exotische dingen."