Forskare har gjort de minsta möjliga bitarna av diamant och andra superhårda fläckar till "molekylära städ" som klämmer och vrider molekyler tills kemiska bindningar bryts och atomer byter elektroner. Detta är de första sådana kemiska reaktioner som utlöses av mekaniskt tryck enbart, och forskare säger att metoden erbjuder ett nytt sätt att göra kemi på molekylär nivå som är grönare, mer effektiv och mycket mer exakt.

Forskningen leds av forskare från Department of Energy SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University, som rapporterade sina fynd i Natur i dag.

"Till skillnad från andra mekaniska tekniker, som i princip drar molekyler tills de bryts isär, vi visar att tryck från molekylära städ både kan bryta kemiska bindningar och utlösa en annan typ av reaktion där elektroner rör sig från en atom till en annan, "sa Hao Yan, en fysikvetenskaplig forskare på SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, och en av huvudförfattarna till studien.

"Vi kan använda molekylära städ för att utlösa förändringar vid en specifik punkt i en molekyl samtidigt som vi skyddar de områden vi inte vill ändra, " han sa, "och detta skapar många nya möjligheter."

En reaktion som är mekaniskt driven har potential att producera helt andra produkter från samma utgångsingredienser än en som drivs på konventionellt sätt av värme, ljus eller elektrisk ström, sade studieförfattaren Nicholas Melosh, en SIMES -utredare och docent vid SLAC och Stanford. Det är också mycket mer energieffektivt, och eftersom det inte behöver värme eller lösningsmedel, det ska vara miljövänligt.

Sätta kläm på material med diamanter

Experimenten utfördes med en diamantstädcell ungefär lika stor som en espressokopp i laboratoriet hos Wendy Mao, en medförfattare till tidningen som är docent vid SLAC och Stanford och utredare på SIMES, som är ett gemensamt SLAC/Stanford institut.

Diamantstädceller klämmer material mellan de platta spetsarna på två diamanter och kan nå enorma tryck - över 500 gigapascal, eller ungefär en och en halv gånger trycket vid jordens centrum. De används för att utforska hur mineraler djupt inne i jorden är och hur material under tryck utvecklar ovanliga egenskaper, bland annat.

Dessa tryck uppnås på ett förvånansvärt enkelt sätt, genom att dra åt skruvarna för att föra diamanterna närmare varandra, Sa Mao. "Tryck är kraft per ytenhet, och vi komprimerar en liten mängd prov mellan spetsarna på två små diamanter som var och en bara väger cirka en fjärdedel karat, " Hon sa, "så du behöver bara en blygsam mängd kraft för att nå högt tryck."

Eftersom diamanterna är transparenta, ljus kan gå igenom dem och nå provet, sa Yu Lin, en SIMES-associerad personalvetare som ledde högtrycksdelen av experimentet.

"Vi kan använda många experimentella tekniker för att studera reaktionen medan provet komprimeras, "sa hon." Till exempel, när vi lyser in en röntgenstråle i provet, provet svarar genom att sprida eller absorbera ljuset, som färdas tillbaka genom diamanten till en detektor. Analys av signalen från det ljuset berättar om en reaktion har inträffat. "

Det som vanligtvis händer när du klämmer ett prov är att det deformeras enhetligt, med alla bindningar mellan atomer som krymper med samma mängd, Sa Melosh.

Men så är inte alltid fallet, sade han:"Om du komprimerar ett material som har både hårda och mjuka komponenter, såsom kolfibrer inbäddade i epoxi, bindningarna i den mjuka epoxin kommer att deformeras mycket mer än de i kolfibern. "

De undrade om de kunde utnyttja samma princip för att böja eller bryta specifika bindningar i en enskild molekyl.

Det som fick dem att tänka i dessa banor var en serie experiment som Meloshs team hade gjort med diamondoids, de minsta möjliga diamantbitarna, som är osynliga för blotta ögat och väger mindre än en miljarddel av en miljarddel karat. Melosh leder en gemensam SLAC-Stanford-program som isolerar diamondoids från petroleumvätska och letar efter sätt att använda dem. I en färsk studie, hans team hade fäst diamondoids till mindre, mjukare molekyler för att skapa legoliknande block som samlades i de tunnaste möjliga elektriska ledningarna, med en ledande kärna av svavel och koppar.

Som kolfibrer i epoxi, dessa byggstenar innehöll hårda och mjuka delar. Om den sätts i ett diamantstäd, skulle de hårda delarna fungera som mini-städ som klämmer och deformerar de mjuka delarna på ett ojämnt sätt?

Svaret, de upptäckte, var ja.

Tiny Anvils öppnar nya möjligheter

För deras första experiment, de använde kopparsvavelkluster - små partiklar bestående av åtta atomer - fästa vid molekylära städ av en annan styv molekyl som kallas karboran. De lade denna kombination i diamantstädcellen och skruvade upp trycket.

När trycket blev tillräckligt högt, atombindningar i nanotrådsklyngan bröt, men det är inte allt. Elektroner flyttade från sina svavelatomer till dess kopparatomer och rena kristaller av koppar bildades, som inte skulle ha inträffat i konventionella reaktioner som drivs av värme, sa forskarna. De upptäckte en punkt utan återvändo där denna förändring blir oåterkallelig. Under denna tryckpunkt, nanotrådsklusteret går tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd när trycket avlägsnas.

Beräkningsstudier avslöjade vad som hade hänt:Tryck från diamantstädcellen flyttade de molekylära städerna, och de pressade i sin tur kemiska bindningar i klustret, komprimera dem minst 10 gånger mer än deras egna bindningar hade komprimerats. Denna komprimering var också ojämn, Yan sa, och det böjde eller vridde några av nanotrådsklusternas bindningar på ett sätt som fick obligationer att brytas, elektroner att röra sig och kopparkristaller bildas.

Andra experiment, denna gång med diamondoids som molekylära städ, visade att små förändringar i de små städens storlekar och positioner kan göra skillnaden mellan att utlösa en reaktion eller skydda en del av en molekyl så att den inte böjer eller reagerar.

Forskarna kunde observera dessa förändringar med flera tekniker, inklusive elektronmikroskopi vid Stanford och röntgenmätningar vid två DOE Office of Science användaranläggningar - Advanced Light Source vid Lawrence Berkeley National Laboratory och Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory.

"Det här är spännande, och det öppnar upp ett helt nytt fält, "Sa Mao." Från vår sida, vi är intresserade av att titta på hur tryck kan påverka ett brett spektrum av tekniskt intressanta material, från superledare som överför elektricitet utan förlust till halogenidperovskiter, som har stor potential för nästa generations solceller. När vi väl förstår vad som är möjligt ur en mycket grundläggande vetenskaplig synvinkel kan vi tänka på den mer praktiska sidan. "

Går framåt, forskarna vill också använda denna teknik för att titta på reaktioner som är svåra att göra på konventionella sätt och se om komprimering gör dem enklare, Sa Yan.

"Om vi ​​vill drömma stort, kan kompression hjälpa oss att göra koldioxid från luften till bränsle, eller kväve från luften till gödselmedel? "sa han." Det här är några av de frågor som molekylära städ gör att människor kan utforska. "