Ryan McMullen hade aldrig hört talas om USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences när han började casta för ett kemiprogram. Men på rekommendation av en av hans professorer, han skickade ett e-postmeddelande till Colleges professor i kemi Stephen Bradforth och föreslog ett experiment för att reta ut vad som gör en metall verkligen till en metall.

Förslaget skulle inte bara bli hans doktorsexamen. avhandling men ett stort vetenskapligt genombrott.

McMullens förslag var inte lätt att sälja. Experimentet skulle bli dyrt och möjligen farligt.

De akademiker som McMullen kontaktade vid andra amerikanska forskningsuniversitet berättade för honom att de hade finansiering för sin egen forskning, men inte för hans. Men Bradforth hade ett annat svar.

"Han sa, "Jag har inte finansiering för din idé men om du kommer hit kan vi skriva ett finansieringsförslag tillsammans, '" sa McMullen, som vid den tiden avslutade sina grundstudier vid University of Bristol i Storbritannien.

Bradforth hjälpte inte bara McMullen att säkra finansiering, prioritera det för National Science Foundation-stöd framför att fortsätta andra projekt, men han satte också ihop ett internationellt team av vetenskapsmän och arrangerade sitt sabbatsår för att övervaka och delta i de viktigaste experimenten. Han blev också McMullens Ph.D. rådgivare.

Bradforth konfigurerade om sitt labb för att skydda dess forskare. Experimentet krävde flytande ammoniak, som kan vara lätt giftig, och alkalisk metall, som kan explodera om den vidrör vatten.

"Mitt labb ser annorlunda ut på grund av detta, " noterade Bradforth, som även är avdelningsdekanus för naturvetenskap och matematik.

Ansträngningen var väl värd resultatet. Experimentet avslöjade fynd som är "den typ av saker som finns i läroböcker, eller åtminstone ändrar hur läroböcker skrivs, " sa Bradforth, noterar verkets potentiellt historiska betydelse. Det skulle också tjäna den eftertraktade utmärkelsen att vara omslaget den 5 juni till tidningen Science.

Går full metal

Projektet tittade på en grundläggande fråga:Vilka egenskaper är inneboende i en metall och vilka är tillfälliga?

Intuition tyder på att metaller är täta, och även om det stämmer för vissa (tänk guld eller bly), det misslyckas med att hålla för andra. Till exempel, litium – som vanligtvis används i batterier – flyter på vatten. Vissa metaller är hårda, som titan, åter andra ger lätt efter för press, inklusive indium och aluminium. Vad sägs om smälttemperatur? Platina smälter vid mer än 1, 700 grader Celsius (3, 200 F), men kvicksilver är en vätska långt under noll.

Många andra definitioner av "metallhuva" lider av liknande motsägelser, men bara metaller kan leda elektricitet. Ledning, till skillnad från densitet eller hårdhet, är en inneboende egenskap hos alla metaller.

För att ytterligare förstå de inneboende egenskaperna hos metaller, Bradforth, McMullen och deras kollegor använde ett trick som först noterades av kemisten Sir Humphry Davy 1809. I huvudsak, de gjorde en metall från grunden.

Forskarna kylde ammoniak - normalt en gas vid rumstemperatur - till minus 33 C för att göra den flytande och tillsatte sedan, i separata experiment, alkalimetallerna litium, natrium och kalium.

I dessa lösningar, elektroner från alkalimetallen blir initialt fångade i gapen mellan ammoniakmolekyler. Detta skapar vad forskare kallar "solvatiserade elektroner, som är mycket reaktiva men stabiliserade i ammoniaken. Dessa lösningar har en karakteristisk blå färg. Men givet tillräckligt med solvatiserade elektroner, hela vätskan blir brons och, i huvudsak, blir en metall samtidigt som den förblir flytande.

Solvatiserade elektroner har visat sig vara viktiga för organiska kemister. Genom en reaktion som kallas "björkreduktionen, "uppkallad efter kemisten Arthur Birch, de var nyckeln till att syntetisera många viktiga föreningar och ledde till tillverkningen av orala preventivmedel på 1950-talet.

Strålar in på elektroner

Forskarna mätte sedan mängden energi som behövs för att stöta ut de solvatiserade elektronerna ur metallisk ammoniak med hjälp av en extremt ljus och fokuserad röntgenstråle baserad i Berlin.

I ett första experiment någonsin, de tvingade olika koncentrationer av den metalliska ammoniaken genom en mikrojet, som skapade en ström ungefär lika bred som ett människohår som sedan passerade genom en hårtunn röntgenstråle.

Resultaten visade att, vid låga koncentrationer, solvatiserade elektroner lossades lättare från lösningen genom interaktion med röntgenstrålar, ger ett enkelt energimönster. Vid högre koncentrationer, fastän, energimönstret utvecklade plötsligt en skarp bandkant, vilket indikerar att lösningen uppförde sig som en metall skulle göra.

Även om de praktiska konsekvenserna av resultatet behöver ytterligare forskning, experimentet öppnar ett nytt fönster för kemister att syntetisera viktiga organiska föreningar. Precis som Birch-reduktionen ledde till orala preventivmedel, så, för, kan detta experiment leda till nya föreningar för användning på ett otaligt antal sätt.

Jersey Boy

McMullen, en infödd Jersey (det europeiska originalet, inte staten som gränsar till New York), planerar att återvända till sitt labb vid USC Dornsife inom några veckor. Men han har inte låtit covid-19-pandemin bromsa honom. Alltid nyfiken på hur elektronik fungerar, han har utfört experiment – ​​säkert, naturligtvis — från hans lägenhet i Long Beach, Kalifornien, med hjälp av komponenter som han köpt på e-Bay.

Efter att ha avslutat sin doktorsexamen, McMullen, den första i hans familj som gick på college, planerar att bedriva ett postdoktoralt stipendium, även om han inte är säker på var eller vad han kommer att fokusera på. Han vet, dock, att han vill vara kvar i akademin. Var han än landar, det är nästan säkert att kemins värld kommer att höra av sig igen.

"Jag gillar att göra exotiska saker."