Kemisk syntes i vätskor och gaser sker i tredimensionellt rymd. Slumpmässiga kollisioner mellan molekyler måste resultera i något nytt på extremt kort tid. Men det finns ett annat sätt:på en guldyta under ultrahöga vakuumförhållanden kan molekyler som ligger stilla bredvid varandra fås att kombineras – även de som aldrig skulle vilja reagera med varandra i en vätska. Forskare vid Empa har nu upptäckt en sådan reaktion. Det bästa av allt är att experterna kan "ta bilder" och titta på varje steg i reaktionen.

Inom kemin finns strukturer som är särskilt stabila, som den så kallade "bensenringen" som består av sex sammankopplade kolatomer. Sådana ringar utgör den strukturella grunden för grafit och grafen, men de förekommer också i många färgämnen – som jeansfärgen indigo och i många läkemedel som aspirin.

När kemister ville bygga sådana ringar på ett målinriktat sätt använde de så kallade kopplingsreaktioner, som vanligtvis bär namnet på sina uppfinnare:till exempel Diels-Alder-reaktionen, Ullmann-reaktionen, Bergman-cykliseringen eller Suzuki-kopplingen. Nu finns det ytterligare en som ännu inte har något namn. Det upptäcktes av ett team från Empa tillsammans med Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz. Deras relaterade forskning har publicerats i Nature Synthesis och Nature Reviews Chemistry .

Allt i det torra

Empa-forskarna utelämnade vätskor i sin kemiska syntes och fäste istället utgångsmaterialen på en guldyta i ett ultrahögt vakuum. Utgångsmaterialet (diisopropyl-p-terphenyl) kan observeras vila lugnt i det nedkylda skanningstunnelmikroskopet innan forskarna skruvar upp värmen.

Skruva upp värmen – rörelse på dansgolvet

Vid rumstemperatur händer ingenting ännu, men vid cirka 200 grader Celsius inträffar en fantastisk reaktion som aldrig skulle hända i vätskor:de två isopropylgrupperna – som normalt sett är helt inaktiva ur kemisk synvinkel – går samman och bildar en bensenring. Anledningen:på grund av den fasta "vidhäftningen" på guldytan, lossas först en väteatom och frigörs sedan från molekylen. Detta skapar kolradikaler som väntar på nya partners. Och det finns många partners på guldytan. Vid 200 grader Celsius vibrerar molekylerna och utför snabba piruetter — det är mycket rörelse på det gyllene dansgolvet. Så det som hör ihop blir snart samman.

Och än en gång allt i slow motion

Matchmaking på den gyllene ytan har två fördelar. För det första finns det inget behov av tvång:reaktionen sker utan att förmedlande borsyror eller halogenatomer flyger iväg. Det är en koppling som endast involverar mättade kolväten. Utgångsmaterialen är billiga och lätta att få tag på och det finns inga giftiga biprodukter.

Den andra fördelen är att forskarna kan se varje steg i reaktionen - en annan sak som inte är möjlig med klassisk, "flytande" kemi. Empa-teamet höjer helt enkelt uppvärmningen av guldytan gradvis. Vid 180 grader Celsius har molekylerna bara kopplat en arm med sina grannar, den andra sticker fortfarande fritt ut i dansgolvet. Om man nu kyler ner guldytan inuti ett scanningstunnelmikroskop kan man se och "fotografera" molekylerna precis innan de "giftas bort". Det är precis vad forskarna gjorde. Således kan reaktionsmekanismen följas i form av "snapshots."

Möjligheter till en "ny" kemi

Forskarna och deras kollegor förväntar sig att två typer av effekter kommer att uppstå från det aktuella arbetet. För det första skulle "snapshot-metoden" också kunna vara lämplig för att belysa helt andra reaktionsmekanismer. På Empa utvecklas instrument som använder ultrakorta laserpulser i ett scanning tunnelmikroskop för att belysa sådana kemiska reaktioner steg för steg. Detta kan ge ytterligare insikter om kemiska reaktioner och snart skaka om många gamla teorier.

Forskningsresultaten "från det torra" kan dock också vara användbara för att vidareutveckla "flytande" kemi. Hittills har de flesta av de reaktioner som dokumenterats i litteraturen kommit från klassisk flytande kemi, och forskare med scanningssond har kunnat återskapa dessa experiment. I framtiden kan vissa reaktioner också utformas i scanning tunnelmikroskopet och senare överföras till flytande eller gasformig kemi. + Utforska vidare

Dissociationsmekanism för syremolekyler på en silveryta avslöjad