Une nouvelle étude montre qu'il est possible d'utiliser la force mécanique pour modifier délibérément les réactions chimiques et augmenter la sélectivité chimique, un grand défi du domaine.

L'étude dirigée par Jeffrey Moore, chercheur à Urbana-Champaign à l'Université de l'Illinois, et par le chimiste de l'Université de Stanford, Todd Martinezz, démontre comment les forces mécaniques externes modifient les mouvements atomiques pour manipuler les résultats des réactions. Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue Science .

"Nous considérons les réactions chimiques comme des molécules se déplaçant sur une surface d'énergie potentielle de la manière dont les randonneurs suivent la carte des contours des montagnes et des vallées le long d'un sentier, " a déclaré l'auteur principal Yun Liu, chercheur post-doctoral dans le groupe de recherche de Moore. "Une montagne le long d'un chemin de réaction est une barrière qui doit être traversée avant que les molécules puissent descendre dans leur produit final. Par conséquent, la hauteur relative des barrières contrôle le chemin que les molécules choisiront le plus probablement, permettant aux chimistes de faire des prédictions sur ce qu'une réaction chimique particulière produira, un résultat appelé sélectivité. »

Les chimistes ont traditionnellement supposé que le tremblement des molécules - connu sous le nom de "dynamique moléculaire" - est régi par une surface d'énergie potentielle. Les molécules se transforment par des réactions chimiques qui cherchent le chemin nécessitant un minimum d'énergie. Cependant, des preuves émergentes montrent que les molécules n'ont souvent pas le temps d'échantillonner la surface, conduisant à des écarts appelés effets dynamiques non statistiques, les chercheurs ont dit.

Des effets dynamiques non statistiques sont observés dans certaines réactions courantes telles que les réactions de nitration du benzène et de déshydratation, " dit Liu. " Malgré ces exemples, Les EMI n'ont pas complètement capté l'attention des chimistes car elles sont difficiles à mesurer et ne peuvent pas être contrôlées pour modifier les résultats de la réaction - la poursuite essentielle de la chimie. »

Liu a développé une conception expérimentale utilisant une molécule annulaire marquée par un isotope de carbone-13 avec deux chaînes polymères attachées. Liu a placé les polymères dans un réacteur et a appliqué une force mécanique via sonication, qui déchire l'anneau en deux groupes distincts.

"La molécule en anneau peut se convertir en l'un des trois produits différents après avoir été déchirée, ce qui en fait un bon modèle pour enquêter sur les EMI, " a déclaré Liu. " L'étiquette 13-C nous permet de suivre et de mesurer les changements chimiques se produisant dans l'anneau, ce qui le distingue de milliers d'autres liaisons chimiques dans le polymère."

Liu émet l'hypothèse qu'avec l'excitation de la force mécanique, les atomes s'échauffent dans des directions de réaction spécifiques, plutôt que de suivre les directions façonnées par la surface d'énergie potentielle. Les chercheurs ont qualifié cette dérogation au concept conventionnel des réactions chimiques de "trajectoire de survol".

« En utilisant l'exemple de la randonnée, l'hypothèse revient à dire que le randonneur vient de décider de ne pas suivre la carte, " dit Liu. " Au lieu de cela, le randonneur était assez excité pour sauter sur un deltaplane et simplement voler entre les collines lors de leur descente. Par conséquent, la direction dans laquelle les molécules se déplacent devient dépendante de leur saut initial, plutôt que la hauteur de barrière subséquente."

Liu a réalisé plusieurs expériences démontrant l'accordabilité de la trajectoire de survol en augmentant la force mécanique afin que la réaction puisse de plus en plus surmonter les obstacles. Idéalement, les chercheurs peuvent transformer une réaction non sélective en une réaction hautement sélective où tous les produits secondaires formés sont indétectables.

Pour appuyer la découverte expérimentale, Soren Holm, étudiant diplômé de l'Université de Stanford, en a recueilli 10, 000, 000 géométries calculées pour construire un modèle théorique de la surface d'énergie potentielle puis extrait la vitesse des trajectoires de réaction sous la présence d'une force mécanique.

« Nous avons constaté que les premières trajectoires ne ralentissent pas lorsqu'elles franchissent les barrières, " dit Liu.

En d'autres termes, les barrières sont survolées au lieu d'être surmontées, qui aurait dû ralentir la vitesse de réaction chimique, les chercheurs ont dit. Heures supplémentaires, les molécules se refroidissent, et les trajectoires suivantes suivent le chemin d'énergie minimum initialement prévu.

"Nos résultats permettront aux chercheurs de mieux comprendre comment la force peut modifier le cours des réactions chimiques pour augmenter l'efficacité de la production, ", a déclaré Moore. "C'est un autre outil dans notre boîte à outils pour fabriquer les choses que nous utilisons tous les jours."

La Fondation nationale des sciences, le bureau de recherche de l'armée, la Fondation Dr. Leni Schoninger et la Deutsche Forschungsgemeinschaft ont soutenu cette recherche.

Moore est le directeur du Beckman Institute for Advanced Science and Technology, professeur de chimie et de sciences et génie des matériaux et affilié au Center for Advanced Study, le Laboratoire de Recherche sur les Matériaux, le Collège de médecine Carle Illinois, le Carl R. Woese Institute for Genomic Biology et le Center for Social and Behavioral Science.