Исследование, проведенное исследователем из Университета Иллинойса в Урбане и Шампейне Джеффри Муром и химиком Стэнфордского университета Тоддом Мартинезом, демонстрирует, как внешние механические силы изменяют движения атомов, чтобы влиять на результаты реакции. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
«Мы думаем о химических реакциях как о молекулах, движущихся по поверхности потенциальной энергии так же, как туристы следуют по контурной карте гор и долин вдоль тропы», – сказал ведущий автор Юн Лю, научный сотрудник исследовательской группы Мура. "Гора на пути реакции – это барьер, который необходимо преодолеть, прежде чем молекулы смогут спуститься в свой конечный продукт. Таким образом, относительная высота барьеров определяет, какой путь молекулы, скорее всего, выберут, позволяя химикам делать прогнозы о том, что именно вызовет конкретная химическая реакция – результат, называемый селективностью."
Химики традиционно предполагали, что покачивание молекул, известное как «молекулярная динамика», определяется поверхностью потенциальной энергии. Молекулы трансформируются в результате химических реакций, которые ищут путь, требующий минимального количества энергии. Однако новые данные показывают, что молекулы часто не успевают исследовать поверхность, что приводит к отклонениям, называемым нестатистическими динамическими эффектами, говорят исследователи.
«Нестатистические динамические эффекты наблюдаются в некоторых распространенных реакциях, таких как нитрование бензола и реакции дегидратации», – сказал Лю. «Несмотря на эти примеры, околосмертные переживания не полностью привлекли внимание химиков, потому что их трудно измерить, и их невозможно контролировать, чтобы изменить результаты реакции – важнейшее стремление химии."
Лю разработал экспериментальную схему с использованием меченной изотопом углерода-13 кольцевой молекулы с двумя присоединенными полимерными цепями. Лю поместил полимеры в реакционный сосуд и применил механическую силу посредством обработки ультразвуком, которая разорвала кольцо на две отдельные группы.
«Кольцевая молекула может превращаться в один из трех различных продуктов после разрыва на части, что делает ее хорошей моделью для исследования околосмертных переживаний», – сказал Лю. «Этикетка 13-C позволяет нам отслеживать и измерять химические изменения, происходящие с кольцом, что отличает его от тысяч других химических связей в полимере."
Лю предполагает, что при возбуждении механической силы атомы нагреваются вдоль определенных направлений реакции, а не следуют направлениям, сформированным поверхностью потенциальной энергии. Исследователи назвали этот отход от общепринятого представления о химических реакциях «траекторией пролета."
«Используя пример пешего туризма, гипотеза эквивалентна утверждению, что турист просто решил не следовать по карте», – сказал Лю. "Вместо этого путешественник был достаточно взволнован, чтобы запрыгнуть на дельтаплан и просто пролететь между холмами на спуске. В результате направление, в котором движутся молекулы, становится зависимым от их начального скачка, а не от последующей высоты барьера."
Лю провел несколько экспериментов, демонстрирующих возможность настройки траектории пролета путем увеличения механической силы, так что реакция может все больше преодолевать препятствия.
В идеале исследователи могут превратить неселективную реакцию в высокоселективную, при которой любые образующиеся побочные продукты не обнаруживаются.
Чтобы подтвердить экспериментальный результат, аспирант Стэнфордского университета Сорен Холм собрал 10 000 000 вычисленных геометрических фигур, чтобы построить теоретическую модель поверхности потенциальной энергии, а затем вычислил скорость траекторий реакции в присутствии механической силы.
«Мы обнаружили, что ранние траектории не замедляются при прохождении через барьеры», – сказал Лю.
Другими словами, барьеры преодолеваются, а не преодолеваются, что должно было замедлить скорость химической реакции, говорят исследователи. Со временем молекулы остывают, и последующие траектории следуют по пути минимальной энергии, первоначально предсказанному.
«Наши результаты дадут исследователям более полное представление о том, как сила может изменить ход химических реакций для повышения эффективности производства», – сказал Мур. "Это еще один инструмент в нашем наборе инструментов, позволяющий сделать то, что мы используем каждый день."
Национальный научный фонд, Управление армейских исследований, докторская. Фонд Лени Шонингер и Deutsche Forschungsgemeinschaft поддержали это исследование.
Мур является директором Института передовых наук и технологий им. Бекмана, профессором химии, материаловедения и инженерии и связан с Центром перспективных исследований, Лабораторией исследования материалов, Медицинским колледжем Карла Иллинойса, Институтом Карла Р. Институт геномной биологии Везе и Центр социальных и поведенческих наук.