Un nuovo studio mostra che è possibile utilizzare la forza meccanica per alterare deliberatamente le reazioni chimiche e aumentare la selettività chimica, una grande sfida del settore.

Lo studio condotto dal ricercatore Jeffrey Moore dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign e dal chimico della Stanford University Todd Martinezz dimostra come le forze meccaniche esterne alterano i movimenti atomici per manipolare i risultati della reazione. I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Scienza .

"Pensiamo alle reazioni chimiche come molecole che si muovono su una superficie di energia potenziale nel modo in cui gli escursionisti seguono la mappa di contorno di montagne e valli lungo un sentiero, ", ha affermato l'autore principale Yun Liu, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca di Moore. "Una montagna lungo un percorso di reazione è una barriera che deve essere attraversata prima che le molecole possano scendere nel loro prodotto finale. Pertanto, l'altezza relativa delle barriere controlla quale percorso sceglieranno molto probabilmente le molecole, permettendo ai chimici di fare previsioni su cosa produrrà una particolare reazione chimica, un risultato chiamato selettività."

I chimici hanno tradizionalmente assunto che il tremolio delle molecole, noto come "dinamica molecolare", sia governato da una potenziale superficie di energia. Le molecole si trasformano mediante reazioni chimiche che cercano il percorso richiedendo una quantità minima di energia. Però, prove emergenti mostrano che le molecole spesso non hanno il tempo di campionare la superficie, portando a deviazioni chiamate effetti dinamici non statistici, hanno detto i ricercatori.

Effetti dinamici non statistici sono osservati in alcune reazioni comuni come la nitrazione del benzene e le reazioni di disidratazione, " Liu ha detto. "Nonostante questi esempi, Le NDE non hanno catturato completamente l'attenzione dei chimici perché sono difficili da misurare e non possono essere controllate per cambiare i risultati della reazione, la ricerca essenziale della chimica".

Liu ha sviluppato un progetto sperimentale utilizzando una molecola ad anello marcata con isotopi di carbonio-13 con attaccate due catene polimeriche. Liu ha messo i polimeri in un recipiente di reazione e ha applicato una forza meccanica tramite sonicazione, che strappa l'anello in due gruppi separati.

"La molecola dell'anello può convertirsi in uno dei tre prodotti diversi dopo essere stata fatta a pezzi, rendendolo un buon modello per investigare le NDE, " Liu ha detto. "L'etichetta 13-C ci consente di tracciare e misurare i cambiamenti chimici che si verificano sull'anello, rendendolo distinto da migliaia di altri legami chimici nel polimero."

Liu ipotizza che con l'eccitazione della forza meccanica, gli atomi si riscaldano lungo specifiche direzioni di reazione, piuttosto che seguire le direzioni modellate dalla superficie dell'energia potenziale. I ricercatori hanno chiamato questa deviazione dal concetto convenzionale di reazioni chimiche una "traiettoria ravvicinata".

"Usando l'esempio dell'escursionismo, l'ipotesi equivale a dire che l'escursionista ha semplicemente deciso di non seguire la mappa, " Liu ha detto. "Invece, l'escursionista era abbastanza eccitato da salire su un deltaplano e volare tra le colline durante la loro discesa. Di conseguenza, la direzione in cui si muovono le molecole diventa dipendente dal loro salto iniziale, piuttosto che la successiva altezza della barriera."

Liu ha eseguito molteplici esperimenti dimostrando la sintonizzabilità della traiettoria del flyby aumentando la forza meccanica in modo che la reazione possa superare sempre più le barriere. Idealmente, i ricercatori possono trasformare una reazione non selettiva in una altamente selettiva in cui eventuali prodotti collaterali formati non sono rilevabili.

Per supportare la scoperta sperimentale, Lo studente laureato della Stanford University Soren Holm ha raccolto 10, 000, 000 geometrie calcolate per costruire un modello teorico della superficie dell'energia potenziale e quindi estrarre la velocità delle traiettorie di reazione in presenza di forza meccanica.

"Abbiamo scoperto che le prime traiettorie non rallentano quando si superano le barriere, " ha detto Liù.

In altre parole, le barriere sono volate oltre piuttosto che essere superate, che avrebbe dovuto rallentare la velocità di reazione chimica, hanno detto i ricercatori. Col tempo, le molecole si raffreddano, e le successive traiettorie seguono il percorso di energia minima inizialmente previsto.

"I nostri risultati forniranno ai ricercatori una comprensione più completa di come la forza può alterare il corso delle reazioni chimiche per aumentare l'efficienza della produzione, " Ha detto Moore. "È un altro strumento nella nostra cassetta degli attrezzi per realizzare le cose che usiamo ogni giorno".

La Fondazione Nazionale della Scienza, l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, la Fondazione Dr. Leni Schoninger e la Deutsche Forschungsgemeinschaft hanno sostenuto questa ricerca.

Moore è il direttore del Beckman Institute for Advanced Science and Technology, un professore di chimica e scienze dei materiali e ingegneria ed è affiliato con il Center for Advanced Study, il Laboratorio di Ricerca sui Materiali, il Carle Illinois College of Medicine, il Carl R. Woese Institute for Genomic Biology e il Center for Social and Behavioral Science.