En ny studie visar att det är möjligt att använda mekanisk kraft för att avsiktligt ändra kemiska reaktioner och öka kemisk selektivitet - en stor utmaning för fältet.

Studien som leds av University of Illinois Urbana-Champaign-forskaren Jeffrey Moore och Stanford University-kemisten Todd Martinezz visar hur yttre mekaniska krafter förändrar atomrörelser för att manipulera reaktionsresultat. Studieresultaten publiceras i tidskriften Vetenskap .

"Vi tänker på kemiska reaktioner som molekyler som rör sig på en yta av potentiell energi på det sätt som vandrare följer konturkartan över berg och dalar längs ett spår, "sade huvudförfattaren Yun Liu, en postdoktoral forskare i Moores forskargrupp. "Ett berg längs en reaktionsväg är en barriär som måste korsas innan molekylerna kan sjunka ner i sin slutprodukt. Därför, barriärernas relativa höjd styr vilken väg molekylerna sannolikt kommer att välja, låta kemister göra förutsägelser om vad en viss kemisk reaktion kommer att producera - ett resultat som kallas selektivitet. "

Kemister har traditionellt antagit att rörelserna av molekyler - känd som "molekylär dynamik" - styrs av en potentiell energiyta. Molekyler transformeras genom kemiska reaktioner som söker vägen som kräver en minimal mängd energi. Dock, nya bevis visar att molekyler ofta inte har tid att prova ytan, som leder till avvikelser som kallas icke -statistiska dynamiska effekter, sa forskarna.

Icke -statistiska dynamiska effekter observeras i några vanliga reaktioner som nitrering av bensen och uttorkningsreaktioner, "Sa Liu." Trots dessa exempel, NDE har inte helt fångat kemisters uppmärksamhet eftersom de är svåra att mäta och inte kan kontrolleras för att ändra reaktionsresultaten - den väsentliga strävan efter kemi. "

Liu utvecklade en experimentell design med hjälp av en kol-13 isotopmärkt ringmolekyl med två polymerkedjor fästa. Liu placerade polymererna i ett reaktionskärl och applicerade en mekanisk kraft via ultraljudsbehandling, som delar ringen i två separata grupper.

"Ringmolekylen kan omvandlas till en av tre olika produkter efter att ha rivits isär, gör det till en bra modell för att undersöka NDE, "Liu sa." 13-C-etiketten tillåter oss att spåra och mäta de kemiska förändringarna som sker i ringen, vilket skiljer den från tusentals andra kemiska bindningar i polymeren. "

Liu antar att med excitation av mekanisk kraft, atomerna värms upp längs specifika reaktionsriktningar, snarare än att följa de riktningar som formas av den potentiella energiytan. Forskarna kallade denna avvikelse från det konventionella begreppet kemiska reaktioner en "flybybana".

"Med hjälp av vandringsexemplet, hypotesen motsvarar att säga att vandraren bara bestämde sig för att inte följa kartan, "Sa Liu." Istället vandraren var tillräckligt upphetsad för att hoppa på en hängflygplan och bara flyga förbi mellan kullarna vid deras nedstigning. Som ett resultat, i vilken riktning molekylerna rör sig blir beroende av deras första hopp, snarare än den efterföljande barriärhöjden. "

Liu utförde flera experiment som demonstrerade avpassningsbarheten för flybybanan genom att öka den mekaniska kraften så att reaktionen alltmer kan övervinna hinder. Helst, forskare kan förvandla en oselektiv reaktion till en mycket selektiv reaktion där eventuella biprodukter som bildas är odetekterbara.

För att stödja det experimentella fyndet, Stanford University doktorand Soren Holm samlade 10, 000, 000 beräknade geometrier för att konstruera en teoretisk modell av den potentiella energiytan och extraherade sedan reaktionsbanornas hastighet under närvaro av mekanisk kraft.

"Vi fann att tidiga banor inte saktar ner när vi går förbi barriärerna, "Sa Liu.

Med andra ord, hinder flyger förbi istället för att övervinnas, som borde ha bromsat den kemiska reaktionshastigheten, sa forskarna. Över tid, molekylerna svalnar, och efterföljande banor följer den minsta energibana som ursprungligen förutsades.

"Våra resultat kommer att ge forskare en mer fullständig förståelse för hur kraft kan förändra förloppet av kemiska reaktioner för att öka produktionseffektiviteten, "Sa Moore." Det är ett annat verktyg i vår verktygslåda för att göra saker vi använder varje dag. "

National Science Foundation, arméns forskningskontor, Dr. Leni Schoninger Foundation och Deutsche Forschungsgemeinschaft stödde denna forskning.

Moore är chef för Beckman Institute for Advanced Science and Technology, professor i kemi och materialvetenskap och teknik och är ansluten till Center for Advanced Study, materialforskningslaboratoriet, Carle Illinois College of Medicine, Carl R. Woese Institute for Genomic Biology och Center for Social and Behavioral Science.