Gli scienziati hanno trasformato i frammenti più piccoli possibili di diamante e altri granelli super-duri in "incudini molecolari" che schiacciano e torcono le molecole fino a quando i legami chimici si rompono e gli atomi si scambiano elettroni. Queste sono le prime reazioni chimiche di questo tipo innescate dalla sola pressione meccanica, e i ricercatori affermano che il metodo offre un nuovo modo di fare chimica a livello molecolare che è più verde, più efficiente e molto più preciso.

La ricerca è stata condotta da scienziati del Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University, che hanno riportato i loro risultati in Natura oggi.

"A differenza di altre tecniche meccaniche, che fondamentalmente tirano le molecole fino a quando non si rompono, mostriamo che la pressione delle incudini molecolari può sia rompere i legami chimici che innescare un altro tipo di reazione in cui gli elettroni si spostano da un atomo all'altro, " ha detto Hao Yan, assegnista di ricerca in scienze fisiche presso SIMES, lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, e uno dei principali autori dello studio.

"Possiamo usare le incudini molecolari per innescare cambiamenti in un punto specifico in una molecola proteggendo le aree che non vogliamo cambiare, " Egli ha detto, "e questo crea molte nuove possibilità."

Una reazione guidata meccanicamente ha il potenziale per produrre prodotti completamente diversi dagli stessi ingredienti di partenza rispetto a una guidata in modo convenzionale dal calore, luce o corrente elettrica, ha detto il coautore dello studio Nicholas Melosh, un investigatore SIMES e professore associato presso SLAC e Stanford. È anche molto più efficiente dal punto di vista energetico, e poiché non ha bisogno di calore o solventi, dovrebbe essere rispettoso dell'ambiente.

Mettere sotto pressione i materiali con i diamanti

Gli esperimenti sono stati condotti con una cella a incudine diamantata delle dimensioni di una tazzina da caffè espresso nel laboratorio di Wendy Mao, un coautore del documento che è professore associato presso SLAC e Stanford e ricercatore presso SIMES, che è un istituto congiunto SLAC/Stanford.

Le celle a incudine di diamante schiacciano i materiali tra le punte appiattite di due diamanti e possono raggiungere pressioni tremende - oltre 500 gigapascal, o circa una volta e mezza la pressione al centro della Terra. Sono usati per esplorare come sono i minerali nel profondo della Terra e come i materiali sotto pressione sviluppano proprietà insolite, tra l'altro.

Queste pressioni vengono raggiunte in modo sorprendentemente semplice, stringendo le viti per avvicinare i diamanti, disse Mao. "La pressione è la forza per unità di superficie, e stiamo comprimendo una piccola quantità di campione tra le punte di due piccoli diamanti che pesano ciascuno solo circa un quarto di carato, " lei disse, "quindi hai solo bisogno di una modesta quantità di forza per raggiungere alte pressioni."

Poiché i diamanti sono trasparenti, la luce può attraversarli e raggiungere il campione, disse Yu Lin, uno scienziato dello staff associato SIMES che ha guidato la parte ad alta pressione dell'esperimento.

"Possiamo usare molte tecniche sperimentali per studiare la reazione mentre il campione è compresso, " ha detto. "Per esempio, quando facciamo brillare un raggio di raggi X nel campione, il campione risponde disperdendo o assorbendo la luce, che viaggia indietro attraverso il diamante in un rivelatore. L'analisi del segnale di quella luce ti dice se si è verificata una reazione."

Quello che succede di solito quando si schiaccia un campione è che si deforma in modo uniforme, con tutti i legami tra gli atomi che si restringono della stessa quantità, ha detto Melosh.

Eppure non è sempre così, ha detto:"Se comprimi un materiale che ha componenti sia duri che morbidi, come le fibre di carbonio incorporate nella resina epossidica, i legami della resina epossidica morbida si deformeranno molto di più di quelli della fibra di carbonio."

Si chiedevano se potevano sfruttare lo stesso principio per piegare o rompere legami specifici in una singola molecola.

Ciò che li ha spinti a pensare in questo senso è stata una serie di esperimenti che il team di Melosh aveva fatto con i diamantini, i più piccoli pezzi di diamante possibili, che sono invisibili ad occhio nudo e pesano meno di un miliardesimo di miliardesimo di carato. Melosh co-dirige un programma congiunto SLAC-Stanford che isola i diamondoidi dal fluido petrolifero e cerca modi per utilizzarli. In un recente studio, la sua squadra aveva attaccato dei diamondoidi a piccoli, molecole più morbide per creare blocchi simili a Lego che si sono assemblati nei fili elettrici più sottili possibili, con un nucleo conduttore di zolfo e rame.

Come le fibre di carbonio nella resina epossidica, questi mattoni contenevano parti dure e morbide. Se messo in un'incudine di diamante, le parti dure fungerebbero da mini-incudini che schiacciano e deformano le parti molli in modo non uniforme?

La risposta, Hanno scoperto, era sì.

Piccole incudini aprono nuove possibilità

Per i loro primi esperimenti, usavano ammassi di rame e zolfo - minuscole particelle costituite da otto atomi - attaccate a incudini molecolari fatte di un'altra molecola rigida chiamata carborano. Hanno messo questa combinazione nella cella dell'incudine di diamante e hanno aumentato la pressione.

Quando la pressione è diventata abbastanza alta, i legami atomici nel cluster di nanofili si sono spezzati, ma non è tutto. Gli elettroni si spostarono dai suoi atomi di zolfo ai suoi atomi di rame e si formarono cristalli puri di rame, che non si sarebbe verificato nelle reazioni convenzionali guidate dal calore, hanno detto i ricercatori. Hanno scoperto un punto di non ritorno in cui questo cambiamento diventa irreversibile. Al di sotto di quel punto di pressione, il cluster di nanofili torna al suo stato originale quando viene rimossa la pressione.

Gli studi computazionali hanno rivelato cosa era successo:la pressione della cellula dell'incudine di diamante ha spostato le incudini molecolari, e a loro volta hanno stretto legami chimici nel grappolo, comprimendoli almeno 10 volte di più di quanto fossero stati compressi i loro stessi legami. Anche questa compressione era irregolare, Yan ha detto, e ha piegato o attorcigliato alcuni dei legami del cluster di nanofili in un modo che ha causato la rottura dei legami, elettroni da spostare e cristalli di rame da formare.

Altri esperimenti, questa volta con i diamondoidi come incudini molecolari, hanno mostrato che piccoli cambiamenti nelle dimensioni e nelle posizioni delle minuscole incudini possono fare la differenza tra l'attivazione di una reazione o la protezione di una parte di una molecola in modo che non si pieghi o reagisca.

Gli scienziati sono stati in grado di osservare questi cambiamenti con diverse tecniche, compresa la microscopia elettronica a Stanford e le misurazioni a raggi X presso due strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE:l'Advanced Light Source presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e l'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory.

"Questo è eccitante, e si apre un campo completamente nuovo, " disse Mao. "Da parte nostra, siamo interessati a vedere come la pressione può influenzare una vasta gamma di materiali tecnologicamente interessanti, dai superconduttori che trasmettono elettricità senza perdite alle perovskiti ad alogenuri, che hanno un grande potenziale per le celle solari di prossima generazione. Una volta compreso ciò che è possibile da un punto di vista scientifico di base, possiamo pensare al lato più pratico".

Andando avanti, i ricercatori vogliono anche usare questa tecnica per esaminare le reazioni che sono difficili da fare in modi convenzionali e vedere se la compressione le rende più facili, ha detto Yan.

"Se vogliamo sognare in grande, potrebbe la compressione aiutarci a trasformare l'anidride carbonica dall'aria in carburante, o azoto dall'aria in fertilizzante?" ha detto. "Queste sono alcune delle domande che le incudini molecolari permetteranno alle persone di esplorare".