Forskare vid University of Toronto har hittat ett sätt att välja resultatet av en kemisk reaktion genom att använda en svårfångad och länge eftersökt faktor som kallas "påverkansparametern".

Teamet av U of T-kemister, ledd av Nobelprisvinnande forskaren John Polanyi, har hittat ett sätt att välja slagparametern eller missdistansen med vilken en reagensmolekyl missar en målmolekyl, och därigenom förändra produkterna från den kemiska reaktionen. Resultaten publiceras idag i Vetenskapens framsteg .

"Kemister kastar molekyler mot andra molekyler hela tiden i hopp om att göra något nytt, säger Polanyi, Universitetsprofessor vid Institutionen för kemi vid U of T. "I den här studien har vi hittat ett sätt att kontrollera resultatet genom att rikta en projektilmolekyl mot en målmolekyl, med en noggrannhet av en liten bråkdel av diametern på målmolekylen."

Molekylär dynamik i kemi är ungefär som ett spel biljard. Precis som en biljardspelare skickar den inkommande bollen mot målbollen, kemister lanserar en molekyl mot en annan för att producera en kemisk reaktion. Dock, detta kan göras, det är nu klart, antingen av en slump som har varit normen, eller genom design som det nya arbetet visar sig vara möjligt.

Tidigare har den inneboende slumpmässigheten i molekylära rörelser hindrat kemister från att rikta sina projektilmolekyler mot de kemiska målen, som biljardspelare gör. Istället, de har varit tvungna att spela sitt spel biljard för ögonen.

"Genom åren har kemister blivit väldigt bra på att spela biljard för ögonen, använda klibbiga bollar och kasta dem starkt eller svagt, " säger Polanyi. "Men vi har hittat ett sätt att ta av ögonbindeln, och sikta varje skott."

Forskarna uppnådde detta genom att deponera molekyler på en metallkristall, sedan applicera en liten ström från en atomärt vass metallspets till en av molekylerna. Detta tillskott av energi fick en "projektil"-molekyl att skjuta över ytan i en rak linje, längs en av de rälsliknande åsarna på metallkristallen mot en närliggande "mål"-molekyl som finns på kristallen, saknar det med en kontrollerad mängd.

Olika missavstånd, kallas "påverkansparametrar", visades reproducerbart för att ge olika resultat, det vill säga olika reaktionsmönster.

"Den underliggande kristallina ytan är vårt biljardbord, " sa Kelvin Anggara, en postdoktor i Polanyis forskargrupp och en huvudförfattare till studien. "Genom att dra nytta av spåren som naturen bekvämt har gjort över kristallytan, vi fann att vi kunde styra den resande molekylära projektilen så att den träffade målet antingen frontalt eller i en blickande kollision som missade målet med en önskad mängd. På det sättet, precis som i biljard, vi kan kontrollera resultatet av den molekylära kollisionen."

Att välja missdistans eller stötparameter vid kollisioner mellan reagensmolekyler har hittills kallats "reaktionsdynamikens förbjudna frukt" av Harvard University professor Dudley R. Herschbach, med vilken Polanyi delade Nobelpriset i kemi 1986 tillsammans med Yuan T. Lee. Medan upptäckterna som trion gjorde gjorde det möjligt för kemister att sluta sig till många av krafterna i en kemisk reaktion, påverkansparametern har trotsat direkt kontroll.

Detta gäller även i de berömda välkontrollerade förhållandena för "korsade molekylstrålar". Det förbises ofta att även om strålarna i denna eleganta metod är riktade mot varandra, det är inte molekylerna. Nu kan de enskilda molekylerna riktas mot varandra, ganska exakt.

"Vi tror att detta är ett stort steg framåt i kontrollen av kemiska reaktioner, sa Anggara, som utförde studien tillsammans med Polanyi, senior forskarassistent Lydie Leung och doktorand Matthew Timm.