Os cientistas transformaram os menores pedaços possíveis de diamante e outras partículas superduras em "bigornas moleculares" que comprimem e torcem as moléculas até que as ligações químicas se rompam e os átomos troquem elétrons. Estas são as primeiras reações químicas desencadeadas apenas por pressão mecânica, e os pesquisadores dizem que o método oferece uma nova maneira de fazer química em nível molecular que é mais verde, mais eficiente e muito mais preciso.

A pesquisa foi liderada por cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford, que relataram suas descobertas em Natureza hoje.

"Ao contrário de outras técnicas mecânicas, que basicamente puxam as moléculas até que se separem, mostramos que a pressão das bigornas moleculares pode quebrar ligações químicas e desencadear outro tipo de reação onde os elétrons se movem de um átomo para outro, "disse Hao Yan, um associado de pesquisa de ciências físicas no SIMES, o Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, e um dos principais autores do estudo.

"Podemos usar bigornas moleculares para desencadear mudanças em um ponto específico de uma molécula enquanto protegemos as áreas que não queremos mudar, " ele disse, "e isso cria muitas novas possibilidades."

Uma reação que é acionada mecanicamente tem o potencial de produzir produtos totalmente diferentes com os mesmos ingredientes iniciais do que um acionado de forma convencional por calor, luz ou corrente elétrica, disse o co-autor do estudo Nicholas Melosh, um investigador SIMES e professor associado no SLAC e Stanford. Também é muito mais eficiente em termos de energia, e porque não precisa de calor ou solventes, deve ser amigo do ambiente.

Colocando o aperto em materiais com diamantes

Os experimentos foram realizados com uma célula de bigorna de diamante do tamanho de uma xícara de café expresso no laboratório de Wendy Mao, um co-autor do artigo que é professor associado do SLAC e Stanford e investigador do SIMES, que é um instituto conjunto SLAC / Stanford.

Células de bigorna de diamante comprimem materiais entre as pontas achatadas de dois diamantes e podem atingir pressões tremendas - mais de 500 gigapascais, ou cerca de uma vez e meia a pressão no centro da Terra. Eles são usados ​​para explorar como são os minerais nas profundezas da Terra e como os materiais sob pressão desenvolvem propriedades incomuns, entre outras coisas.

Essas pressões são alcançadas de uma maneira surpreendentemente simples, apertando os parafusos para aproximar os diamantes, Disse Mao. "A pressão é a força por unidade de área, e estamos comprimindo uma pequena quantidade de amostra entre as pontas de dois pequenos diamantes, cada um pesando apenas cerca de um quarto de quilate, " ela disse, "então você só precisa de uma pequena quantidade de força para atingir altas pressões."

Como os diamantes são transparentes, a luz pode passar por eles e alcançar a amostra, disse Yu Lin, um cientista associado da equipe do SIMES que liderou a parte de alta pressão do experimento.

"Podemos usar muitas técnicas experimentais para estudar a reação enquanto a amostra é comprimida, "disse ela." Por exemplo, quando iluminamos um feixe de raios-X na amostra, a amostra responde espalhando ou absorvendo a luz, que viaja de volta através do diamante para um detector. Analisar o sinal daquela luz informa se uma reação ocorreu. "

O que geralmente acontece quando você espreme uma amostra é que ela se deforma uniformemente, com todas as ligações entre os átomos diminuindo na mesma quantidade, Melosh disse.

No entanto, nem sempre é o caso, ele disse:"Se você comprimir um material que tem componentes duros e macios, como fibras de carbono incorporadas em epóxi, as ligações do epóxi macio se deformarão muito mais do que as da fibra de carbono. "

Eles se perguntaram se poderiam usar o mesmo princípio para dobrar ou quebrar ligações específicas em uma molécula individual.

O que os fez pensar nesse sentido foi uma série de experimentos que a equipe de Melosh fez com diamantóides, os menores pedaços de diamante possíveis, que são invisíveis a olho nu e pesam menos de um bilionésimo de um bilionésimo de um quilate. Melosh co-dirige um programa conjunto SLAC-Stanford que isola diamondoides do fluido de petróleo e procura maneiras de colocá-los em uso. Em um estudo recente, sua equipe havia anexado diamantóides a menores, moléculas mais suaves para criar blocos semelhantes a Lego que se montaram nos fios elétricos mais finos possíveis, com um núcleo condutor de enxofre e cobre.

Como fibras de carbono em epóxi, esses blocos de construção continham partes duras e macias. Se colocado em uma bigorna de diamante, as partes duras atuariam como mini bigornas que comprimem e deformam as partes moles de uma forma não uniforme?

A resposta, eles descobriram, foi sim.

Pequenas bigornas abrem novas possibilidades

Para seus primeiros experimentos, eles usaram aglomerados de cobre e enxofre - minúsculas partículas consistindo de oito átomos - ligados a bigornas moleculares feitas de outra molécula rígida chamada carborano. Eles colocaram essa combinação na célula da bigorna de diamante e aumentaram a pressão.

Quando a pressão ficou alta o suficiente, ligações atômicas no cluster de nanofios quebraram, Mas isso não é tudo. Os elétrons se moveram de seus átomos de enxofre para seus átomos de cobre e cristais puros de cobre se formaram, o que não teria ocorrido em reações convencionais impulsionadas pelo calor, disseram os pesquisadores. Eles descobriram um ponto sem volta onde essa mudança se torna irreversível. Abaixo desse ponto de pressão, o cluster de nanofios volta ao seu estado original quando a pressão é removida.

Estudos computacionais revelaram o que havia acontecido:a pressão da bigorna de diamante moveu as bigornas moleculares, e eles, por sua vez, apertaram as ligações químicas no cluster, comprimindo-os pelo menos 10 vezes mais do que suas próprias ligações haviam sido comprimidas. Essa compressão também era desigual, Yan disse, e dobrou ou torceu algumas das ligações do cluster de nanofios de uma forma que fez com que as ligações se quebrassem, elétrons para se mover e cristais de cobre para se formar.

Outros experimentos, desta vez com diamantóides como bigornas moleculares, mostraram que pequenas mudanças nos tamanhos e posições das pequenas bigornas podem fazer a diferença entre desencadear uma reação ou proteger parte de uma molécula para que ela não se curve ou reaja.

Os cientistas foram capazes de observar essas mudanças com várias técnicas, incluindo microscopia eletrônica em Stanford e medições de raios-X em duas instalações de usuários do DOE Office of Science - a Advanced Light Source no Lawrence Berkeley National Laboratory e a Advanced Photon Source no Argonne National Laboratory.

"Isso é empolgante, e abre um campo totalmente novo, "Mao disse." Do nosso lado, estamos interessados ​​em ver como a pressão pode afetar uma ampla gama de materiais tecnologicamente interessantes, de supercondutores que transmitem eletricidade sem perda para perovskitas halogenadas, que têm um grande potencial para células solares de próxima geração. Depois de entender o que é possível de um ponto de vista científico muito básico, podemos pensar sobre o lado mais prático. "

Daqui para frente, os pesquisadores também querem usar essa técnica para observar as reações que são difíceis de fazer de maneiras convencionais e ver se a compressão as torna mais fáceis, Yan disse.

"Se queremos sonhar grande, poderia a compressão nos ajudar a transformar o dióxido de carbono do ar em combustível, ou o nitrogênio do ar para o fertilizante? ", disse ele." Estas são algumas das questões que as bigornas moleculares permitirão que as pessoas explorem. "