Ett team av europeiska och SLAC-forskare förenade två små diamantliknande "diamantformade" strukturer för att skapa den längsta kol-kolbindning (markerad i denna bild av stjärnan) som någonsin setts i en alkan, en klass av molekyler gjorda av endast kol och väte sammankopplade med enkla kovalenta bindningar. Vad var överraskande, dock, var att molekylen var mycket stabilare än förväntat, eftersom längre obligationer vanligtvis är svagare. Forskarna fastställde att attraktiva krafter mellan diamantoiderna förbättrade stabiliteten hos denna molekyl. Bild av Peter R. Schreiner, Justus-Liebig University, Tyskland.
(PhysOrg.com) -- Styrkan hos en kemisk bindning mellan atomer är den grundläggande grunden för en molekyls stabilitet och reaktivitet. Att justera bindningens styrka och tillgänglighet kan dramatiskt förändra en molekyls egenskaper. Till exempel, en bindnings styrka är direkt relaterad till dess längd:sträckning av en bindning utöver dess normala längd gör den svagare.
Men ny forskning av ett team från två europeiska universitet och SLAC National Accelerator Laboratory visar att attraktiva krafter mellan andra delar av en molekyl kan göra en sträckt bindning som förenar två kolatomer mycket stabilare än förväntat. Detta resultat borde leda till förbättringar i hur forskare designar nya molekyler, material och katalysatorer.
"Vi ger en förståelse för varför molekyler med exceptionellt långa bindningar inte nödvändigtvis behöver vara instabila, sade Jeremy Dahl, en forskare vid Stanford Institute for Materials &Energy Science (SIMES), ett institut som drivs gemensamt av SLAC och Stanford University. Samarbetspartners var Peter R. Schreiner från Justus-Liebig University i Tyskland och Andrey A. Fokin från Kiev Polytechnic Institute i Ukraina. Resultaten publiceras idag i Natur .
Även om det är tillämpligt på alla typer av molekyler, den nya forskningen involverar alkaner, en klass av molekyler som består av bara kol- och väteatomer sammankopplade med enkla kovalenta bindningar, och diamantoider, som är diamanter av molekylstorlek som tagits fram av SIMES-forskare. Etan, propan och oktan är välbekanta alkaner som har två ryggrader, tre och åtta kolatomer, respektive, alla förenade av enkelbindningar. Kolatomerna i de extremt stela diamantoiderna är arrangerade i samma tetraedriska form som diamant.
I sin nya forskning, forskarna slog ihop par av diamantoider för att skapa tre nya alkaner som hade en ultralång kol-kolbindning i mitten. För att rymma de skrymmande diamantoiderna, den centrala bindningen var tvungen att sträcka sig långt bortom den normala kol-kolbindningslängden på 1,54 ångström. (En ångström, eller Å, är en tiondels nanometer.) En av de nya molekylerna hade den längsta kol-kolbindning som någonsin uppmätts i en alkan:1,704Å.
Förvånande, dessa nya dubbeldiamantoidmolekyler visade sig vara mycket mer stabila än förväntat. Tidigare forskning av andra grupper hade visat att en alkan med en 1,65Å kol-kolbindning överlevde mindre än en timme vid 167C (333F). I kontrast, den centrala kol-kolbindningen i två av de nya länkade diamantformade molekylerna bröts isär först efter att ha värmts över 300C (572F). Den tredje, med 1,704 Å kol-kol bindning, varade tills den värmdes till 220C (428F).
"Baserat på enbart kol-kolbindningslängden, Jag förväntade mig att dessa diamantformade molekyler skulle vara mycket mindre stabila än de visade sig vara, " sa Schreiner. "Något annat måste pågå som höll ihop dessa nya molekyler."
Vad gjorde skillnaden? Röntgenkristallstruktur, Nukleär magnetisk resonans, och termogravimetriska studier gjorda av Dahls europeiska kollegor visade att även när bindningarna sträcktes, attraktiva krafter mellan de två diamantoiderna drog dem närmare varandra. Dessa attraktionskrafter ses vanligtvis mellan separata molekyler, där de kallas van der Waals krafter efter den holländska fysikern som först beskrev dem 1873. "Forskare tar vanligtvis inte hänsyn till van der Waals attraktioner när de analyserar stabiliteten hos en enskild molekyl, men det ser nu ut som de borde, sa Dahl.
Gruppens forskningsresultat stöddes av sofistikerade beräkningar som gjorde det möjligt för forskarna att slå på och av de attraktiva krafterna när de utvärderade de nya molekylernas stabilitet.
Schreiner tillade att detta fynd kan förklara varför konventionell analys förutspår att grenade alkaner – som innehåller stora grupper av atomer fästa vid alkanryggraden – är mycket mindre stabila än vad de faktiskt är, och varför diamantoider har mycket högre smältpunkter än förväntat.
Dessa resultat är de senaste i flera intressanta forskningsrön och tillämpningar för diamantoider sedan Dahl och hans kollega Robert Carlson utvecklade ett sätt att isolera betydande mängder av dem från råolja 2003.
Bland deras intressanta egenskaper, diamantoider sänder ut elektroner extremt effektivt. I arbete publicerat i Science 2007, SIMES forskare Zhi-Xun Shen, Wanli Yang och Nick Melosh – förutom Dahl, Carlson och Schreiner-gruppen – visade att diamantoider lätt sänder ut elektroner över ett mycket smalt energiområde, en egenskap som skulle kunna förbättra avbildningsförmågan hos flera typer av elektronmikroskop samt elektronstrålemönster som används för att göra datorchips.
Diamantoider är också mycket anpassningsbara, vilket innebär att olika varianter kan produceras och modifieras för att möta olika specifikationer:tredimensionella kristaller för applikationer som kräver ett pulveriserat material, tvådimensionella filmer för beläggning av andra material, och möjligen även endimensionella nanotrådar för överföring av laddning eller ljus.
"De här senaste resultaten visar att tillverkning av molekyler i nya former och storlekar kan leda till överraskande upptäckter, sa Dahl.
