一项新的研究表明，可以使用机械力故意改变化学反应并提高化学选择性 - 该领域的巨大挑战。
伊利诺伊大学Urbana-Champaign研究员Jeffrey Moore和Stanford University化学家Todd Martinezz的研究展示了外部机械力如何改变原子运动以操纵反应结果。研究结果发表在《科学》杂志上。亚博老虎机网登录
“我们认为化学反应是在远足者沿着小径上沿着山脉和山谷的轮廓地图上移动的分子，沿着小径的山脉图表。”摩尔研究小组的博士后研究员刘刘说。“沿着反应路径的山是一个屏障，需要在分子下降到其最终产物之前需要穿越。特定的化学反应将产生 - 一种称为选择性的结果。”
传统上，化学家认为分子的跳动（称为“分子动力学”）受势能表面的控制。分子通过化学反应转化，这些反应寻求需要最少能量的路径。但是，新兴的证据表明，分子通常没有时间进行表面采样，从而导致称为非统计动态效应的偏差。
在一些常见反应中观察到非统计动态效应，例如苯和脱水反应的硝化，”刘说。“尽管有这些例子，但NDE并未完全吸引化学家的注意力，因为它们难以衡量并且无法控制以改变反应结果 - 对化学的基本追求。”
Liu使用碳13同位素标记的环分子开发了一种实验设计，并具有两个连接的聚合物链。刘将聚合物放入反应容器中，并通过超声处理施加机械力，将环将环撕成两个单独的组。
“环分子被撕开后可以转换为三种不同产品之一，使其成为研究NDE的良好模型，”刘说。“ 13-C标签使我们能够跟踪和测量环上发生的化学变化，从而使其与聚合物中数千个其他化学键不同。”
Liu假设，随着机械力的激发，原子沿特定的反应方向加热，而不是遵循势能表面形成的方向。研究人员将这种偏离的化学反应概念归结为“飞行轨迹”。
“使用徒步旅行示例，该假设等于说徒步旅行者只是决定不遵循地图，”刘说。“取而代之的是，徒步旅行者足够兴奋地跳上悬挂式连接器，只是在下降的山丘之间飞行。结果，分子移动的方向取决于它们的最初跳跃，而不是随后的屏障高度。“
刘进行了多个实验，证明了通过增加机械力的飞行轨迹的可调性，以使反应越来越克服屏障。理想情况下，研究人员可以将不可选择的反应变成一个高度选择性的反应，其中任何形成的侧产品都是无法检测的。
为了支持实验发现，斯坦福大学研究生Soren Holm收集了10,000,000个计算的几何形状，以构建势能表面的理论模型，然后在机械力的存在下提取了反应轨迹的速度。
“我们发现早期的轨迹在越过障碍物时不会放慢脚步，”刘说。
研究人员说，换句话说，障碍是飞越而不是被克服，这应该减慢化学反应率。随着时间的流逝，分子冷却，随后的轨迹遵循最初预测的最小能量路径。
“我们的发现将使研究人员对力如何改变化学反应的进程以提高生产效率的过程有更全面的了解，”摩尔说。“这是我们工具箱中的另一个工具，可以使我们每天使用的东西。”
国家科学基金会，陆军研究办亚博老虎机网登录公室，Leni Schoninger博士基金会和Deutsche Forschungsgemeinschaft支持了这项研究。
摩尔是贝克曼高级科学技术研究所的主任，化学与材料科学与工程学教授，隶属于高级研究中心，材料研究实验室，卡尔·伊利诺伊州医亚博老虎机网登录学院，卡尔·R·沃斯（Carl R. Woese）亚博网站下载基因组生物学研究所和社会和行为科学中心。亚博老虎机网登录
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