UCLA-fysiker har banat väg för en metod för att skapa en unik ny molekyl som så småningom kan ha tillämpningar inom medicin, livsmedelsvetenskap och andra områden. Deras forskning, som också visar hur kemiska reaktioner kan studeras i mikroskopisk skala med hjälp av fysikverktyg, redovisas i journalen Vetenskap .

Under de senaste 200 åren, forskare har utvecklat regler för att beskriva kemiska reaktioner som de har observerat, inklusive reaktioner i mat, vitaminer, mediciner och levande organismer. En av de mest allmänt förekommande är "oktettregeln, " som säger att varje atom i en molekyl som produceras av en kemisk reaktion kommer att ha åtta yttre kretsande elektroner. (Forskare har hittat undantag från regeln, men dessa undantag är sällsynta.)

Men molekylen skapad av UCLA-professorn Eric Hudson och kollegor bryter mot den regeln. Barium-syre-kalcium, eller BaOCa+, är den första molekyl som någonsin observerats av forskare som är sammansatt av en syreatom bunden till två olika metallatomer.

I vanliga fall, en metallatom (antingen barium eller kalcium) kan reagera med en syreatom för att producera en stabil molekyl. Dock, när UCLA-forskarna lade till en andra metallatom till blandningen, en ny molekyl, BaOCa+, som inte längre uppfyllde oktettregeln, hade bildats.

Andra molekyler som bryter mot oktettregeln har observerats tidigare, men UCLA-studien är bland de första att observera en sådan molekyl med hjälp av fysikverktyg – nämligen lasrar, jonfällor och ultrakalla atomfällor.

Hudsons laboratorium använde laserljus för att kyla ner små mängder av reaktantatomerna och molekylerna till en extremt låg temperatur - en tusendels grad över absolut noll - och sedan sväva dem i ett utrymme som är mindre än bredden på ett människohår, inuti en vakuumkammare. Under dessa mycket kontrollerade förhållanden, forskarna kunde observera egenskaperna hos atomerna och molekylerna som annars är dolda från synen, och de "fysikverktyg" de använde gjorde det möjligt för dem att hålla ett prov av atomer och observera kemiska reaktioner en molekyl i taget.

De ultrakalla temperaturerna som används i experimentet kan också användas för att simulera reaktionen som den skulle inträffa i yttre rymden. Det kan hjälpa forskare att förstå hur vissa komplexa molekyler, inklusive några som kan vara föregångare till liv, kom att existera i rymden, sa Hudson.

Forskarna fann att när de förde samman kalcium och bariummetoxid inuti sitt system under normala förhållanden, de skulle inte reagera eftersom atomerna inte kunde hitta ett sätt att ordna om sig själva för att bilda en stabil molekyl. Dock, när forskarna använde en laser för att ändra fördelningen av elektronerna i kalciumatomen, reaktionen gick snabbt, producerar en ny molekyl, CaOBa+.

Tillvägagångssättet är en del av ett nytt fysikinspirerat delområde av kemi som använder verktygen för ultrakall fysik, såsom lasrar och elektromagnetism, att observera och kontrollera hur och när enpartikelreaktioner inträffar.

UCLA doktorand Prateek Puri, projektets ledande forskare, sade att experimentet inte bara visar hur dessa tekniker kan användas för att skapa exotiska molekyler, men också hur de kan användas för att konstruera viktiga reaktioner. Upptäckten kan i slutändan användas för att skapa nya metoder för att konservera mat (genom att förhindra oönskade kemiska reaktioner mellan mat och miljö) eller utveckla säkrare mediciner (genom att eliminera de kemiska reaktioner som orsakar negativa biverkningar).

"Experiment som dessa banar väg för att utveckla nya metoder för att kontrollera kemi, ", sa Puri. "Vi skapar i huvudsak "på-knappar" för reaktioner."

Hudson sa att han hoppas att arbetet kommer att uppmuntra andra forskare att ytterligare minska klyftan mellan fysik och kemi, och att visa att allt mer komplexa molekyler kan studeras och kontrolleras. Han tillade att en nyckel till framgången för den nya studien var involveringen av experter från olika områden:experimentella fysiker, teoretiska fysiker och en fysikalisk kemist.

En nyckelaktör i forskningen gör sig redan ett namn i Hollywood. En enhet som kallas den integrerade jonfällan-tid-of-flight masspektrometern, som uppfanns av Hudsons labb och som användes för att upptäcka reaktionen – visades nyligen i ett avsnitt av sitcom "The Big Bang Theory".

"Enheten gör det möjligt för oss att upptäcka och identifiera produkter av reaktioner på enpartikelnivå, och för oss, det har verkligen varit en bro mellan kemi och fysik, sa Michael Mills, en UCLA-student som arbetade med projektet. "Vi var glada över att se att det togs upp av showen."