Los científicos han convertido los pedazos más pequeños posibles de diamante y otras motas súper duras en "yunques moleculares" que aprietan y retuercen las moléculas hasta que se rompen los enlaces químicos y los átomos intercambian electrones. Estas son las primeras reacciones químicas de este tipo desencadenadas solo por presión mecánica, y los investigadores dicen que el método ofrece una nueva forma de hacer química a nivel molecular que es más ecológica, más eficiente y mucho más preciso.

La investigación fue dirigida por científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford. que informaron sus hallazgos en Naturaleza hoy dia.

"A diferencia de otras técnicas mecánicas, que básicamente tiran de las moléculas hasta que se rompen, mostramos que la presión de los yunques moleculares puede romper enlaces químicos y desencadenar otro tipo de reacción en la que los electrones se mueven de un átomo a otro, "dijo Hao Yan, investigador asociado en ciencias físicas en SIMES, el Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía, y uno de los autores principales del estudio.

"Podemos usar yunques moleculares para desencadenar cambios en un punto específico de una molécula mientras protegemos las áreas que no queremos cambiar, " él 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 del SIMES y profesor asociado en SLAC y Stanford. También es mucho más eficiente energéticamente, y porque no necesita calor ni disolventes, debe ser respetuoso con el medio ambiente.

Apretar materiales con diamantes

Los experimentos se llevaron a cabo con una celda de yunque de diamante del tamaño de una taza de café expreso en el laboratorio de Wendy Mao. un coautor del artículo que es profesor asociado en SLAC y Stanford e investigador en SIMES, que es un instituto conjunto SLAC / Stanford.

Las células del yunque de diamante aprietan 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 cómo son los minerales en las profundidades de la Tierra y cómo los materiales bajo presión desarrollan propiedades inusuales. entre otras cosas.

Estas presiones se alcanzan de una manera sorprendentemente sencilla, apretando los tornillos para acercar 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 que pesan cada uno solo alrededor de un cuarto de quilate, " ella dijo, "por lo que solo se necesita una pequeña cantidad 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 del SIMES que dirigió la parte de alta presión del experimento.

"Podemos utilizar muchas técnicas experimentales para estudiar la reacción mientras se comprime la muestra, ", dijo." Por ejemplo, cuando iluminamos la muestra con un haz de rayos X, la muestra responde dispersando o absorbiendo la luz, que viaja de regreso a través del diamante a un detector. Analizar la señal de esa luz le indica si ha ocurrido una reacción ".

Lo que suele ocurrir cuando se aprieta una muestra es que se deforma uniformemente, con todos los enlaces entre átomos encogiéndose 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, las uniones del epoxi blando se deformarán mucho más que las de la fibra de carbono ".

Se preguntaron si podrían aprovechar ese mismo principio para doblar o romper enlaces específicos en una molécula individual.

Lo que les hizo pensar en ese sentido 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 mil millonésima parte de un quilate. Melosh codirige un programa conjunto SLAC-Stanford que aísla las diamondoides del fluido del petróleo y busca formas de utilizarlas. En un estudio reciente, su equipo había adjuntado diamondoides a más pequeños, moléculas más suaves para crear bloques tipo Lego que se ensamblan en los cables eléctricos más delgados posibles, con un núcleo conductor de azufre y cobre.

Como fibras de carbono en epoxi, estos bloques de construcción contenían partes duras y blandas. Si se coloca en un yunque de diamante, ¿Actuarían las partes duras como mini-yunques que aprietan y deforman las partes blandas de manera no uniforme?

La respuesta, ellos descubrieron, fue sí.

Tiny Anvils abren nuevas posibilidades

Para sus primeros experimentos, utilizaron grupos de azufre de cobre, partículas diminutas que constan de ocho átomos, unidas a yunques moleculares hechos de otra molécula rígida llamada carborano. Pusieron esta combinación en la celda del yunque de diamante y aumentaron la presión.

Cuando la presión subió 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, que no habría ocurrido en reacciones convencionales impulsadas por calor, dijeron los investigadores. Descubrieron un punto sin 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 celda del yunque de diamante movió los yunques moleculares, y ellos, a su vez, comprimieron los enlaces químicos en el grupo, comprimiéndolos al menos 10 veces más de lo que se habían comprimido sus propios enlaces. Esta compresión también fue desigual, Yan dijo, y dobló o retorció algunos de los enlaces del grupo de nanocables de una manera que provocó que los enlaces se rompieran, los electrones se mueven y los cristales de cobre se forman.

Otros experimentos, esta vez con diamondoides como yunques moleculares, demostró que pequeños cambios en los tamaños y posiciones de los yunques diminutos pueden marcar 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, que incluye microscopía electrónica en Stanford y mediciones de rayos X en dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE:la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Fuente de Fotones Avanzada en el Laboratorio Nacional Argonne.

"Esto es emocionante, y abre un campo completamente nuevo, "Dijo Mao." De nuestro lado, estamos interesados ​​en ver cómo la presión puede afectar una amplia gama de materiales tecnológicamente interesantes, de superconductores que transmiten electricidad sin pérdida a perovskitas de haluro, que tienen mucho potencial para las células solares de próxima generación. Una vez que entendemos lo que es posible desde un punto de vista científico muy básico, podemos pensar en el lado más práctico ".

Avanzando, Los investigadores también quieren usar esta técnica para observar reacciones que son difíciles de realizar de manera convencional y ver si la compresión las hace más fáciles. Yan dijo.

"Si queremos soñar en grande, ¿Podría la compresión ayudarnos a convertir el dióxido de carbono del aire en combustible? ¿o nitrógeno del aire en fertilizante? ”, dijo.“ Estas son algunas de las preguntas que los yunques moleculares permitirán que la gente explore ”.