Cette illustration montre des complexes de molécules molles (jaune et rose) attachés à des « enclumes moléculaires » (rouge et bleu) qui sont sur le point d'être pressées entre deux diamants dans une cellule d'enclume en diamant. Les enclumes moléculaires répartissent inégalement cette pression, rompre les liaisons et déclencher d'autres réactions chimiques dans les molécules plus molles. Crédit :Peter Allen/UC-Santa Barbara
Les scientifiques ont transformé les plus petits morceaux de diamant et autres grains super durs en « enclumes moléculaires » qui serrent et tordent les molécules jusqu'à ce que les liaisons chimiques se brisent et que les atomes échangent des électrons. Ce sont les premières réactions chimiques de ce type déclenchées par la seule pression mécanique, et les chercheurs disent que la méthode offre une nouvelle façon de faire de la chimie au niveau moléculaire qui est plus verte, plus efficace et beaucoup plus précis.
La recherche a été dirigée par des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford, qui ont fait part de leurs découvertes dans La nature aujourd'hui.
"Contrairement à d'autres techniques mécaniques, qui tirent essentiellement les molécules jusqu'à ce qu'elles se séparent, nous montrons que la pression des enclumes moléculaires peut à la fois rompre les liaisons chimiques et déclencher un autre type de réaction où les électrons se déplacent d'un atome à un autre, " dit Hao Yan, chercheur associé en sciences physiques au SIMES, l'Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l'énergie, et l'un des principaux auteurs de l'étude.
"Nous pouvons utiliser des enclumes moléculaires pour déclencher des changements à un point spécifique d'une molécule tout en protégeant les zones que nous ne voulons pas modifier, " il a dit, "et cela crée beaucoup de nouvelles possibilités."
Une réaction entraînée mécaniquement a le potentiel de produire des produits entièrement différents à partir des mêmes ingrédients de départ qu'une réaction entraînée de manière conventionnelle par la chaleur, lumière ou courant électrique, a déclaré le co-auteur de l'étude Nicholas Melosh, chercheur au SIMES et professeur agrégé au SLAC et à Stanford. C'est aussi beaucoup plus économe en énergie, et parce qu'il n'a pas besoin de chaleur ou de solvants, il doit être respectueux de l'environnement.
Mettre la pression sur les matériaux avec des diamants
Les expériences ont été réalisées avec une cellule à enclume en diamant de la taille d'une tasse à expresso dans le laboratoire de Wendy Mao, un co-auteur de l'article qui est professeur agrégé au SLAC et à Stanford et chercheur au SIMES, qui est un institut conjoint SLAC/Stanford.
Les cellules d'enclume de diamant serrent les matériaux entre les extrémités aplaties de deux diamants et peuvent atteindre des pressions énormes - plus de 500 gigapascals, soit environ une fois et demie la pression au centre de la Terre. Ils sont utilisés pour explorer à quoi ressemblent les minéraux au plus profond de la Terre et comment les matériaux sous pression développent des propriétés inhabituelles, entre autres.
Ces pressions sont atteintes d'une manière étonnamment simple, en serrant les vis pour rapprocher les diamants, dit Mao. "La pression est la force par unité de surface, et nous compressons une infime quantité d'échantillon entre les pointes de deux petits diamants qui ne pèsent chacun qu'environ un quart de carat, " elle a dit, « vous n'avez donc besoin que d'une force modeste pour atteindre des pressions élevées. »
Une animation montre comment la fixation d'enclumes moléculaires (cages grises) à des molécules plus molles (boules rouges et jaunes) répartit de manière inégale la pression d'une plus grande enclume en diamant, ainsi les liaisons chimiques se plient et finissent par se rompre autour de l'atome qui supporte la plus grande déformation (boule rouge encerclée). Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Puisque les diamants sont transparents, la lumière peut les traverser et atteindre l'échantillon, dit Yu Lin, un scientifique associé du SIMES qui a dirigé la partie haute pression de l'expérience.
"Nous pouvons utiliser de nombreuses techniques expérimentales pour étudier la réaction pendant que l'échantillon est comprimé, " dit-elle. " Par exemple, lorsque nous projetons un faisceau de rayons X dans l'échantillon, l'échantillon répond en diffusant ou en absorbant la lumière, qui retourne à travers le diamant dans un détecteur. L'analyse du signal de cette lumière vous indique si une réaction s'est produite."
Ce qui se passe généralement lorsque vous pressez un échantillon, c'est qu'il se déforme uniformément, avec toutes les liaisons entre les atomes se rétrécissant de la même quantité, dit Meloch.
Pourtant ce n'est pas toujours le cas, il a dit :« Si vous comprimez un matériau qui a à la fois des composants durs et mous, comme les fibres de carbone noyées dans l'époxy, les liaisons de l'époxyde souple se déformeront beaucoup plus que celles de la fibre de carbone. »
Ils se sont demandé s'ils pouvaient exploiter ce même principe pour plier ou casser des liaisons spécifiques dans une molécule individuelle.
Ce qui les a amenés à penser dans ce sens était une série d'expériences que l'équipe de Melosh avait faites avec des diamantoïdes, les plus petits morceaux de diamant possibles, invisibles à l'œil nu et pesant moins d'un milliardième de milliardième de carat. Melosh co-dirige un programme conjoint SLAC-Stanford qui isole les diamantoïdes du fluide pétrolier et cherche des moyens de les utiliser. Dans une étude récente, son équipe avait attaché des diamantoïdes à des plus petits, des molécules plus molles pour créer des blocs de type Lego qui se sont assemblés en fils électriques les plus fins possibles, avec un noyau conducteur de soufre et de cuivre.
Comme les fibres de carbone dans l'époxy, ces blocs de construction contenaient des parties dures et molles. Si mis dans une enclume de diamant, les parties dures agiraient-elles comme des mini-enclumes qui compriment et déforment les parties molles de manière non uniforme ?
La réponse, ils ont découvert, était oui.
Une cellule d'enclume en diamant démontée. Chaque moitié contient un petit diamant logé dans de l'acier inoxydable. Des échantillons sont placés entre les pointes de diamant; puis la cellule est fermée et les pointes serrées ensemble en serrant les vis. Ce petit appareil peut générer des pressions de l'ordre du gigapascal -- 10, 000 fois la pression atmosphérique à la surface de la Terre. Crédit :Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
De minuscules enclumes ouvrent de nouvelles possibilités
Pour leurs premières expériences, ils ont utilisé des amas de cuivre et de soufre - de minuscules particules composées de huit atomes - attachées à des enclumes moléculaires constituées d'une autre molécule rigide appelée carborane. Ils ont mis cette combinaison dans la cellule à enclume de diamant et ont augmenté la pression.
Lorsque la pression est devenue suffisamment élevée, les liaisons atomiques dans le cluster de nanofils se sont rompues, Mais ce n'est pas tout. Des électrons se sont déplacés de ses atomes de soufre à ses atomes de cuivre et des cristaux de cuivre purs se sont formés, ce qui ne se serait pas produit dans les réactions conventionnelles entraînées par la chaleur, les chercheurs ont dit. Ils ont découvert un point de non-retour où ce changement devient irréversible. En dessous de ce point de pression, le cluster de nanofils revient à son état d'origine lorsque la pression est supprimée.
Des études informatiques ont révélé ce qui s'était passé :la pression de la cellule de l'enclume en diamant a déplacé les enclumes moléculaires, et ils ont à leur tour serré les liaisons chimiques dans le cluster, les comprimant au moins 10 fois plus que leurs propres liens n'avaient été comprimés. Cette compression était également inégale, Yan a dit, et il a plié ou tordu certaines des liaisons du cluster de nanofils d'une manière qui a provoqué la rupture des liaisons, les électrons se déplacent et les cristaux de cuivre se forment.
D'autres expériences, cette fois avec des diamantoïdes comme enclumes moléculaires, ont montré que de petits changements dans la taille et la position des minuscules enclumes peuvent faire la différence entre déclencher une réaction ou protéger une partie d'une molécule afin qu'elle ne se plie pas ou ne réagisse pas.
Les scientifiques ont pu observer ces changements avec plusieurs techniques, y compris la microscopie électronique à Stanford et les mesures aux rayons X dans deux installations d'utilisateurs du DOE Office of Science - la source de lumière avancée du laboratoire national Lawrence Berkeley et la source de photons avancée du laboratoire national d'Argonne.
"C'est excitant, et il ouvre un tout nouveau champ, " dit Mao. " De notre côté, nous nous intéressons à la façon dont la pression peut affecter un large éventail de matériaux technologiquement intéressants, des supraconducteurs qui transmettent l'électricité sans perte aux pérovskites aux halogénures, qui ont beaucoup de potentiel pour les cellules solaires de nouvelle génération. Une fois que nous comprenons ce qui est possible d'un point de vue scientifique très basique, nous pouvons penser au côté plus pratique."
Aller de l'avant, les chercheurs souhaitent également utiliser cette technique pour examiner des réactions difficiles à réaliser de manière conventionnelle et voir si la compression les rend plus faciles, dit Yan.
« Si nous voulons rêver grand, la compression pourrait-elle nous aider à transformer le dioxyde de carbone de l'air en carburant, ou de l'azote de l'air en engrais ?", a-t-il déclaré. "Ce sont quelques-unes des questions que les enclumes moléculaires permettront aux gens d'explorer."
