Исследование было во главе с учеными из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета, который сообщил об их результатах по своей природе сегодня.«В отличие от других механических методов, которые в основном тянут молекулы, пока они не разбиваются, мы показываем, что давление молекулярных наковален может и разорвать химические связи и вызвать другой тип реакции, куда электроны перемещаются от одного атома до другого», сказал Хао Янь, научный сотрудник физики в SIMES, Стэнфордском Институте Материалов и энергетических Наук и одного из ведущих авторов исследования.
«Мы можем использовать молекулярные наковальни, чтобы вызвать изменения в отдельном моменте в молекуле, защищая области, которые мы не хотим изменять», сказал он, «и это создает много новых возможностей».У реакции, которой это механически ведут, есть потенциал, чтобы произвести совершенно различные продукты из тех же самых стартовых компонентов, чем один ведомый обычный путь теплом, слабым или электрическим током, сказал соавтор исследования Николас Мелош, следователь SIMES и адъюнкт-профессор в SLAC и Стэнфорде. Это также намного более энергосберегающее, и потому что это не должно нагреваться или растворители, это должно быть безвредно для окружающей среды.Помещение сжатия на материалах с алмазами
Эксперименты были выполнены с алмазной клеткой наковальни о размере чашки эспрессо в лаборатории Венди Мао, соавтора бумаги, который является адъюнкт-профессором в SLAC и Стэнфорде и следователе в SIMES, который является совместным институтом SLAC/Stanford.Алмазные клетки наковальни сжимают материалы между сглаженными подсказками двух алмазов и могут достигнуть огромных давлений – более чем 500 gigapascals, или приблизительно полтора раза давление в центре Земли. Они используются, чтобы исследовать то, на что похожи полезные ископаемые глубоко в Земле и как материалы под давлением развивают необычные свойства, среди прочего.
Эти давления достигнуты удивительно прямым способом, сжав винты, чтобы приблизить алмазы вместе, сказал Мао. «Давление – сила за область единицы, и мы сжимаем крошечную сумму образца между подсказками двух маленьких алмазов, что каждый взвешивает только приблизительно четверть карата», сказала она, «таким образом, Вам только нужна скромная сумма силы, чтобы достигнуть высокого давления».Так как алмазы прозрачны, легкий может пройти их и достигнуть образца, сказал Ю Лин, SIMES связывают научного сотрудника, который привел часть с высоким давлением эксперимента.«Мы можем использовать много экспериментальных методов, чтобы изучить реакцию, в то время как образец сжат», сказала она. «Например, когда мы блистаем луч рентгена в образец, образец отвечает, рассеиваясь или поглощая свет, который едет назад через алмаз в датчик. Анализ сигнала от того света говорит Вам, если реакция произошла».
То, что обычно происходит, когда Вы сжимаете образец, – то, что он искажает однородно со всеми связями между атомами, сжимающимися той же самой суммой, сказал Мелош.Все же это не всегда имеет место, он сказал: «Если Вы сожмете материал, у которого есть и твердые и мягкие компоненты, такие как углеволокна, включенные в эпоксидную смолу, связи в мягкой эпоксидной смоле исказят намного больше, чем те в углеволокне».Они задались вопросом, могли ли бы они использовать тот же самый принцип, чтобы согнуть или разорвать определенные связи в отдельной молекуле.То, что получило их думающий вдоль тех линий, было серией команды Мелоша экспериментов, сделал с диамондоидами, самыми маленькими частями алмаза, которые невидимы для невооруженного глаза и взвешивают меньше чем одну миллиардную одной миллиардной карата.
Melosh co-directs совместная SLAC-стэнфордская программа, которая изолирует диамондоиды от нефтяной жидкости и ищет способы поместить их, чтобы использовать. В недавнем исследовании его команда приложила диамондоиды к меньшим, более мягким молекулам, чтобы создать подобные Lego блоки, которые собрали себя в самые тонкие электрические провода с ядром проведения серы и меди.
Как углеволокна в эпоксидной смоле, эти стандартные блоки содержали твердые и мягкие части. Если бы помещено в алмазную наковальню, твердые части действовали бы как мини-наковальни, которые сжимают и искажают мягкие части неоднородным способом?
Ответ, они обнаружили, был да.Крошечные наковальни открытые новые возможности
Для их первых экспериментов они использовали медные группы серы – крошечные частицы, состоящие из восьми атомов – приложенный к молекулярным наковальням, сделанным из другой твердой молекулы, названной карбораном. Они помещают эту комбинацию в алмазную клетку наковальни и проворачиваемый давление.Когда давление добралось, достаточно высокие, атомные связи в группе нанопровода сломались, но это не все.
Электроны, перемещенные от его атомов серы до его медных атомов и чистых кристаллов меди, сформировались, который не будет происходить в обычных реакциях, которые стимулирует тепло, сказали исследователи. Они обнаружили точку невозврата, где это изменение становится необратимым. Ниже той точки давления группа нанопровода возвращается к своему исходному состоянию, когда давление удалено.
Вычислительные исследования показали то, что произошло: Давление алмазной клетки наковальни переместило молекулярные наковальни, и они в свою очередь сжали химические связи в группе, сжав их по крайней мере в 10 раз больше, чем были сжаты их собственные связи. Это сжатие было также неравномерным, Ян сказал, и оно согнуло или крутило некоторые связи группы нанопровода способом, которые заставили связи ломаться, электроны, чтобы переместиться и медные кристаллы, чтобы сформироваться.Другие эксперименты, на этот раз с диамондоидами как молекулярные наковальни, показали, что небольшие изменения в размерах и положениях крошечных наковален могут иметь значение между вызовом реакции или защитой части молекулы, таким образом, это не сгибается или реагирует.
Ученые смогли наблюдать эти изменения с несколькими методами, включая электронную микроскопию в Стэнфорде и измерения рентгена в двух Офисах САМКИ Научных пользовательских средств – Продвинутый Источник света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Продвинутый Источник Фотона в Национальной лаборатории Аргонна.«Это захватывающе, и это открывает совершенно новую область», сказал Мао. «С нашей стороны мы интересуемся взглядом на то, как давление может затронуть широкий спектр технологически интересных материалов от сверхпроводников, которые передают электричество без потери для перовскитов галида, у которых есть большой потенциал для солнечных батарей следующего поколения.
Как только мы понимаем то, что возможно с очень простой научной точки зрения, мы можем думать о более практической стороне».В дальнейшем исследователи также хотят использовать эту технику, чтобы посмотреть на реакции, которые трудно сделать обычными способами и видеть, делает ли сжатие их легче, сказал Ян.
«Если мы хотим мечтать крупные, сжатие могло бы помочь нам повернуть углекислый газ из воздуха в топливо или азот от воздуха в удобрение?» он сказал. «Это некоторые вопросы, которые молекулярные наковальни позволят людям исследовать».