Ryan McMullen non aveva mai sentito parlare dell'USC Dornsife College of Letters, Arti e scienze quando ha iniziato a cercare un corso di laurea in chimica. Ma su consiglio di uno dei suoi professori, ha inviato un'e-mail al professore di chimica del College Stephen Bradforth proponendo un esperimento per scoprire cosa rende un metallo davvero un metallo.

La proposta non si sarebbe trasformata solo nel suo dottorato di ricerca. tesi, ma un importante passo avanti scientifico.

La proposta di McMullen non è stata una vendita facile. L'esperimento sarebbe costoso e forse pericoloso.

Gli accademici che McMullen ha contattato in altre università di ricerca statunitensi gli hanno detto che avevano fondi per la propria ricerca, ma non per il suo. Ma Bradforth ha avuto una risposta diversa.

"Egli ha detto, "Non ho fondi per la tua idea, ma se vieni qui possiamo scrivere una proposta di finanziamento insieme, '" ha detto McMullen, che all'epoca stava finendo i suoi studi universitari all'Università di Bristol nel Regno Unito.

Bradforth non solo ha aiutato McMullen a ottenere finanziamenti, dando la priorità al sostegno della National Science Foundation rispetto alla continuazione di altri progetti, ma ha anche messo insieme un team internazionale di scienziati e ha organizzato il suo anno sabbatico per supervisionare e partecipare agli esperimenti principali. Divenne anche Ph.D. di McMullen. consigliere.

Bradforth ha riconfigurato il suo laboratorio per proteggere i suoi scienziati. L'esperimento richiedeva ammoniaca liquida, che può essere leggermente tossico, e metallo alcalino, che può esplodere se tocca l'acqua.

"Il mio laboratorio ha un aspetto diverso a causa di questo, " ha osservato Bradforth, che è anche preside di divisione per le scienze naturali e la matematica.

Lo sforzo è valso il risultato. L'esperimento ha scoperto risultati che sono "il genere di cose che si trovano nei libri di testo, o almeno cambia il modo in cui sono scritti i libri di testo, "Bradforth ha detto, rilevando la potenziale importanza storica dell'opera. Si guadagnerebbe anche l'ambito riconoscimento di essere la copertina del 5 giugno della rivista Science.

Full metal

Il progetto ha esaminato una domanda fondamentale:quali proprietà sono inerenti a un metallo e quali sono accessorie?

L'intuizione suggerisce che i metalli sono densi, e mentre questo è vero per alcuni (pensa all'oro o al piombo), non regge per gli altri. Per esempio, il litio, comunemente usato nelle batterie, galleggia sull'acqua. Alcuni metalli sono duri, come il titanio, altri ancora cedono facilmente alla pressione, compresi indio e alluminio. E la temperatura di fusione? Il platino fonde a più di 1, 700 gradi Celsius (3, 200 gradi), ma il mercurio è un liquido ben al di sotto dello zero.

Molte altre definizioni di 'metal-hood' soffrono contraddizioni simili, ma solo i metalli sono in grado di condurre l'elettricità. Conduzione, a differenza della densità o della durezza, è una proprietà intrinseca di tutti i metalli.

Cercando di comprendere ulteriormente le proprietà intrinseche dei metalli, Bradford, McMullen e i loro colleghi usarono un trucco notato per la prima volta dal chimico Sir Humphry Davy nel 1809. In sostanza, hanno fatto un metallo da zero.

Gli scienziati hanno raffreddato l'ammoniaca, normalmente un gas a temperatura ambiente, a meno 33 °C per liquefarla e poi hanno aggiunto, in esperimenti separati, i metalli alcalini litio, sodio e potassio.

In queste soluzioni, gli elettroni del metallo alcalino inizialmente rimangono intrappolati negli spazi tra le molecole di ammoniaca. Questo crea ciò che gli scienziati chiamano "elettroni solvatati, ' che sono altamente reattivi ma stabilizzati nell'ammoniaca. Queste soluzioni hanno un caratteristico colore blu. Ma dato abbastanza elettroni solvatati, tutto il liquido diventa bronzo e, in sostanza, diventa un metallo pur rimanendo liquido.

Gli elettroni solvatati si sono dimostrati importanti per i chimici organici. Attraverso una reazione chiamata "riduzione della betulla, " prende il nome dal chimico Arthur Birch, erano la chiave per sintetizzare molti composti importanti e portarono alla produzione di contraccettivi orali negli anni '50.

Irradiamento di elettroni

Gli scienziati hanno quindi misurato la quantità di energia necessaria per estrarre gli elettroni solvatati dall'ammoniaca metallica utilizzando un raggio di raggi X estremamente luminoso e focalizzato con sede a Berlino.

In un primo esperimento in assoluto, hanno forzato diverse concentrazioni dell'ammoniaca metallica attraverso un microgetto, che ha creato un flusso della larghezza di un capello umano che poi è passato attraverso un sottile raggio di raggi X.

I risultati hanno mostrato che, a basse concentrazioni, gli elettroni solvatati sono stati più facilmente rimossi dalla soluzione dall'interazione con i raggi X, dando un modello energetico semplice. A concentrazioni più elevate, anche se, il modello energetico sviluppò improvvisamente un bordo netto della banda, indicando che la soluzione si stava comportando come un metallo.

Sebbene le implicazioni pratiche del risultato richiedano ulteriori ricerche, l'esperimento apre una nuova finestra per i chimici per sintetizzare importanti composti organici. Proprio come la riduzione Birch ha portato ai contraccettivi orali, così, pure, potrebbe questo esperimento portare a nuovi composti da utilizzare in un numero imprecisato di modi.

Jersey Boy

McMullen, nativo di Jersey (l'originale europeo, non lo stato vicino a New York), prevede di tornare al suo laboratorio presso la USC Dornsife entro poche settimane. Ma non ha lasciato che la pandemia di COVID-19 lo rallentasse. Sempre curioso di sapere come funziona l'elettronica, ha condotto esperimenti, in modo sicuro, naturalmente, dal suo appartamento a Long Beach, California, utilizzando componenti acquistati su e-Bay.

Dopo aver completato il suo dottorato di ricerca, McMullen, il primo della sua famiglia a frequentare il college, prevede di perseguire una borsa di studio post-dottorato, anche se non è sicuro di dove o su cosa si concentrerà. lui lo sa, però, che vuole rimanere nel mondo accademico. Ovunque atterri, è quasi certo che il mondo della chimica avrà di nuovo sue notizie.

"Mi piace fare le cose esotiche."