Los científicos han convertido los pedazos más pequeños posibles de diamante y otras motas súper duras en "yunques moleculares" que comprimen y retuercen las moléculas hasta que los enlaces químicos se rompen y los átomos intercambian electrones. Estas son las primeras reacciones químicas de este tipo desencadenadas solo por la presión mecánica, yLos investigadores dicen que el método ofrece una nueva forma de hacer química a nivel molecular que es más verde, más eficiente y mucho más precisa.
La investigación fue dirigida por científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford, quienes informaron sus hallazgos en Naturaleza hoy
"A diferencia de otras técnicas mecánicas, que básicamente atraen moléculas hasta que se separan, mostramos que la presión de los yunques moleculares puede romper enlaces químicos y desencadenar otro tipo de reacción donde los electrones se mueven de un átomo a otro", dijo Hao Yan, uninvestigador asociado de ciencias físicas en SIMES, el Instituto de Stanford para Materiales y Ciencias de la Energía, y uno de los autores principales del estudio.
"Podemos usar yunques moleculares para provocar cambios en un punto específico de una molécula mientras protegemos las áreas que no queremos cambiar", dijo, "y esto crea muchas posibilidades nuevas".
Una reacción impulsada mecánicamente tiene el potencial de producir productos completamente diferentes a partir de los mismos ingredientes iniciales que una impulsada de manera convencional por calor, luz o corriente eléctrica, dijo el coautor del estudio Nicholas Melosh, investigador de SIMES y profesor asociado en SLACy Stanford. También es mucho más eficiente desde el punto de vista energético, y debido a que no necesita calor ni solventes, debería ser ecológico.
Poner el apretón en materiales con diamantes
Los experimentos se llevaron a cabo con una célula de yunque de diamante del tamaño de una taza de café exprés en el laboratorio de Wendy Mao, coautora del artículo, profesora asociada de SLAC y Stanford e investigadora de SIMES, que esun instituto conjunto SLAC / Stanford.
Las células de yunque de diamante exprimen los materiales entre las puntas aplanadas de dos diamantes y pueden alcanzar presiones tremendas: más de 500 gigapascales, o aproximadamente una vez y media la presión en el centro de la Tierra. Se utilizan para explorar qué minerales profundosdentro de la Tierra son como y cómo los materiales bajo presión desarrollan propiedades inusuales, entre otras cosas.
Estas presiones se alcanzan de una manera sorprendentemente directa, apretando los tornillos para unir los diamantes, dijo Mao. "La presión es la fuerza por unidad de área, y estamos comprimiendo una pequeña cantidad de muestra entre las puntas de dos pequeños diamantes quecada uno pesa solo un cuarto de quilate ", dijo," por lo que solo se necesita una cantidad moderada de fuerza para alcanzar altas presiones ".
Dado que los diamantes son transparentes, la luz puede atravesarlos y alcanzar la muestra, dijo Yu Lin, un científico asociado de SIMES que dirigió la parte de alta presión del experimento.
"Podemos usar muchas técnicas experimentales para estudiar la reacción mientras la muestra está comprimida", dijo. "Por ejemplo, cuando proyectamos un haz de rayos X en la muestra, la muestra responde dispersando o absorbiendo la luz, que viaja de regreso a través del diamante hacia un detector. Analizando la señal de esa luz le dice si ha ocurrido una reacción ".
Lo que generalmente sucede cuando se exprime una muestra es que se deforma uniformemente, con todos los enlaces entre los átomos reduciéndose en la misma cantidad, dijo Melosh.
Sin embargo, este no es siempre el caso, dijo: "Si comprime un material que tiene componentes duros y blandos, como fibras de carbono incrustadas en epoxi, los enlaces en el epoxi blando se deformarán mucho más que losen la fibra de carbono "
Se preguntaban si podrían aprovechar ese mismo principio para doblar o romper enlaces específicos en una molécula individual.
Lo que los hizo pensar en esa línea fue una serie de experimentos que el equipo de Melosh había hecho con diamondoides, los pedazos de diamante más pequeños posibles, que son invisibles a simple vista y pesan menos de una billonésima parte de una billonésima parte de un quilate. Melosh co- dirige un programa conjunto de SLAC-Stanford que aísla los diamondoides del fluido de petróleo y busca formas de utilizarlos. En un estudio reciente, su equipo unió los diamondoides a moléculas más pequeñas y suaves para crear bloques tipo Lego que se ensamblaron en elcables eléctricos más delgados posibles, con un núcleo conductor de azufre y cobre.
Al igual que las fibras de carbono en epoxi, estos bloques de construcción contenían partes duras y blandas. Si se colocaran en un yunque de diamante, ¿actuarían las partes duras como mini-yunques que exprimen y deforman las partes blandas de una manera no uniforme?
La respuesta, descubrieron, fue sí.
Pequeños yunques abren nuevas posibilidades
Para sus primeros experimentos, usaron grupos de cobre y azufre, pequeñas partículas que constan de ocho átomos, unidos a los yunques moleculares hechos de otra molécula rígida llamada carborano. Pusieron esta combinación en la célula del yunque de diamante y aumentaron la presión.
Cuando la presión aumentó lo suficiente, los enlaces atómicos en el grupo de nanocables se rompieron, pero eso no es todo. Los electrones se movieron de sus átomos de azufre a sus átomos de cobre y se formaron cristales puros de cobre, lo que no habría ocurrido en las reacciones convencionales impulsadas por el calor, dijeron los investigadores. Descubrieron un punto de no retorno donde este cambio se vuelve irreversible. Por debajo de ese punto de presión, el grupo de nanocables vuelve a su estado original cuando se elimina la presión.
Los estudios computacionales revelaron lo que había sucedido: la presión de la célula de yunque de diamante movió los yunques moleculares y, a su vez, exprimieron los enlaces químicos en el grupo, comprimiéndolos al menos 10 veces más que sus propios enlaces. Esta compresión también fuedesigual, dijo Yan, y dobló o retorció algunos de los enlaces del cúmulo de nanocables de una manera que provocó la ruptura de los enlaces, el movimiento de los electrones y la formación de cristales de cobre.
Otros experimentos, esta vez con diamondoides como yunques moleculares, mostraron que pequeños cambios en los tamaños y posiciones de los yunques pequeños pueden hacer la diferencia entre desencadenar una reacción o proteger parte de una molécula para que no se doble ni reaccione.
Los científicos pudieron observar estos cambios con varias técnicas, incluida la microscopía electrónica en Stanford y las mediciones de rayos X en dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE: la Fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Fuente avanzada de fotones en ArgonneLaboratorio Nacional.
"Esto es emocionante, y abre un campo completamente nuevo", dijo Mao. "Por nuestro lado, estamos interesados en ver cómo la presión puede afectar una amplia gama de materiales tecnológicamente interesantes, desde superconductores que transmiten electricidad conno hay pérdida para las perovskitas de haluro, que tienen mucho potencial para las células solares de próxima generación. Una vez que comprendamos lo que es posible desde un punto de vista científico muy básico, podemos pensar en el lado más práctico ".
En el futuro, los investigadores también quieren usar esta técnica para observar las reacciones que son difíciles de hacer de manera convencional y ver si la compresión las hace más fáciles, dijo Yan.
"Si queremos soñar en grande, ¿podría la compresión ayudarnos a convertir el dióxido de carbono del aire en combustible o el nitrógeno del aire en fertilizante?", Dijo. "Estas son algunas de las preguntas que los yunques moleculares permitirán a las personas explorar"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Original escrito por Glennda Chui. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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