Исследование проводилось учеными из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и Стэнфордского университета, которые сегодня опубликовали свои результаты в журнале Nature.«В отличие от других механических методов, которые в основном тянут молекулы до тех пор, пока они не распадутся на части, мы показываем, что давление со стороны молекулярных наковальней может как разорвать химические связи, так и вызвать другой тип реакции, когда электроны перемещаются от одного атома к другому», — сказал Хао Янь, физик. научный сотрудник SIMES, Стэнфордского института материаловедения и энергетики, и один из ведущих авторов исследования.«Мы можем использовать молекулярные наковальни, чтобы вызвать изменения в определенной точке молекулы, одновременно защищая области, которые мы не хотим изменять, — сказал он, — и это создает множество новых возможностей».
По словам соавтора исследования Николаса Мелоша, исследователя SIMES и доцента из SLAC и Стэнфорда, реакция, которая запускается механически, может привести к получению совершенно разных продуктов из одних и тех же исходных ингредиентов, чем реакция, вызванная традиционным способом с помощью тепла, света или электрического тока. . Кроме того, он намного более энергоэффективен и, поскольку не требует тепла или растворителей, должен быть экологически чистым.Усиление материалов с помощью бриллиантовЭксперименты проводились с ячейкой с алмазной наковальней размером с чашку эспрессо в лаборатории Венди Мао, соавтора статьи, доцента SLAC и Стэнфорда и исследователя в SIMES, совместной SLAC / Стэнфордский институт.
Ячейки с алмазной наковальней сжимают материалы между плоскими кончиками двух алмазов и могут достигать огромного давления — более 500 гигапаскалей, или примерно в полтора раза больше давления в центре Земли. Они используются, чтобы исследовать, на что похожи минералы глубоко внутри Земли и как материалы под давлением развивают необычные свойства, среди прочего.По словам Мао, это давление достигается удивительно простым способом — затягивая винты, чтобы сблизить алмазы. «Давление — это сила на единицу площади, и мы сжимаем крошечное количество образца между кончиками двух маленьких бриллиантов, каждый из которых весит всего около четверти карата», — сказала она, «поэтому вам нужно лишь небольшое количество силы, чтобы достичь высокого давления ».«Поскольку алмазы прозрачны, свет может проходить через них и достигать образца», — сказал Ю Линь, научный сотрудник SIMES, который руководил частью эксперимента с высоким давлением.«Мы можем использовать множество экспериментальных методов для изучения реакции при сжатии образца», — сказала она. «Например, когда мы направляем рентгеновский луч на образец, образец реагирует, рассеивая или поглощая свет, который проходит обратно через алмаз в детектор.
Анализ сигнала от этого света сообщает вам, произошла ли реакция. "По словам Мелоша, что обычно происходит, когда вы сжимаете образец, так это то, что он деформируется равномерно, при этом все связи между атомами сокращаются на одинаковую величину.Тем не менее, это не всегда так, сказал он: «Если вы сжимаете материал, который имеет как твердые, так и мягкие компоненты, например углеродные волокна, залитые эпоксидной смолой, связи в мягкой эпоксидной смоле будут деформироваться намного сильнее, чем связи в мягкой эпоксидной смоле. углеродное волокно ".Они задавались вопросом, могут ли они использовать тот же принцип для изгиба или разрыва определенных связей в отдельной молекуле.
На размышления в этом направлении их заставила серия экспериментов, которые команда Мелоша провела с алмазоидами, наименьшими возможными кусочками алмаза, которые невидимы невооруженным глазом и весят менее одной миллиардной миллиардной доли карата. Мелош является одним из руководителей совместной программы SLAC-Stanford, которая выделяет алмазоиды из нефтяных жидкостей и ищет способы их использования. В недавнем исследовании его команда прикрепила алмазоиды к более мелким и мягким молекулам, чтобы создать блоки, похожие на лего, которые собирались в тончайшие электрические провода с проводящим сердечником из серы и меди.Подобно углеродным волокнам в эпоксидной смоле, эти строительные блоки содержали твердые и мягкие части.
Если поместить их в алмазную наковальню, будут ли твердые части действовать как мини-наковальни, которые сжимают и деформируют мягкие части неоднородным образом?Они обнаружили, что ответ был положительным.
Крошечные наковальни открывают новые возможностиВ своих первых экспериментах они использовали кластеры медной серы — крошечные частицы, состоящие из восьми атомов, — прикрепленные к молекулярным наковальням, сделанным из другой жесткой молекулы, называемой карборан. Они поместили эту комбинацию в ячейку с алмазной наковальней и увеличили давление.Когда давление стало достаточно высоким, атомные связи в кластере нанопроволок разорвались, но это еще не все.
По словам исследователей, электроны переместились от атомов серы к атомам меди, и образовались чистые кристаллы меди, чего не могло бы произойти в обычных реакциях, вызванных теплом. Они обнаружили точку невозврата, когда это изменение становится необратимым. Ниже этой точки давления кластер нанопроволок возвращается в исходное состояние, когда давление снимается.
Вычислительные исследования показали, что произошло: давление ячейки алмазной наковальни сдвинуло молекулярные наковальни, и они, в свою очередь, сжали химические связи в кластере, сжимая их по крайней мере в 10 раз сильнее, чем были сжаты их собственные связи. Это сжатие также было неравномерным, сказал Ян, и оно изгибало или скручивало некоторые связи кластера нанопроволоки, что приводило к разрыву связей, перемещению электронов и образованию кристаллов меди.Другие эксперименты, на этот раз с алмазоидами в качестве молекулярных наковальней, показали, что небольшие изменения в размерах и положениях крошечных наковальней могут иметь значение, запускать реакцию или защищать часть молекулы, чтобы она не изгибалась и не реагировала.
Ученые смогли наблюдать эти изменения с помощью нескольких методов, в том числе электронной микроскопии в Стэнфорде и рентгеновских измерений в двух пользовательских объектах Управления науки Министерства энергетики США — усовершенствованном источнике света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской национальной лаборатории. .«Это захватывающе, и это открывает совершенно новое поле деятельности», — сказал Мао. «Со своей стороны, мы заинтересованы в том, чтобы посмотреть, как давление может повлиять на широкий спектр технологически интересных материалов, от сверхпроводников, которые передают электричество без потерь, до галогенидных перовскитов, которые имеют большой потенциал для солнечных элементов следующего поколения. Когда-то мы понимаем, что возможно, с точки зрения фундаментальной науки, мы можем думать о более практической стороне ".
Забегая вперед, исследователи также хотят использовать эту технику, чтобы посмотреть на реакции, которые сложно осуществить обычными способами, и посмотреть, облегчает ли их сжатие, сказал Ян.«Если мы хотим мечтать о многом, может ли сжатие помочь нам превратить углекислый газ из воздуха в топливо или азот из воздуха в удобрение?» он сказал. «Это некоторые из вопросов, которые молекулярные наковальни позволят людям исследовать».