Dünyada Bir İlk: Minik Elmas Örsler, Kimyasal Reaksiyonları Sıkıştırma Yöntemi ile Başlatıyor

Şekil 1. Örneklerin, iki elmasın düzleştirilmiş uçları arasında çok yüksek basınçlara sıkıştırabildiği bir elmas örs ünitesinin çizimi.

‘Moleküler örs’ deneyleri, kimyayı daha yeşil ve daha kesin hale getirme potansiyeline sahip olan mekanokimya için önemli bir gelişmedir.

Bilim insanları, mümkün olan en küçük elmas ve diğer aşırı sert parçacıkları, kimyasal bağları kırılana ve atomları elektron değişene kadar molekülleri sıkıştıran ve bozan “moleküler örslere” dönüştürdüler. Bunlar, sadece mekanik basınç yardımıyla tetiklenmiş ilk kimyasal reaksiyonlardır ve araştırmacılar, yöntemin; kimya için moleküler düzeyde çevreci, daha verimli ve daha kesin olan yeni bir yol sunduğunu söylüyor.

Nature dergisinde bugün bulgularını bildirilen bu araştırma, Enerji Bölümü’nün SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford Üniversitesi’nden bilim insanları tarafından yürütülüyor.

Stanford Malzeme ve Enerji Bilimleri Enstitüsü’nde (SIMES) fiziksel bilim araştırma görevlisi ve bu araştırmanın önde gelen yazarlarından biri olan Hao Yan, “Molekülleri, ayrılana kadar çekme temeline dayalı diğer mekanik tekniklerin aksine, moleküler örslerin basıncının kimyasal bağları kırıp elektronların bir atomdan diğerine geçtiği başka bir reaksiyon türünü tetikleyebileceğini gösteriyoruz” dedi.

“Bir molekülün belirli bir noktasında oluşturulacak değişiklikleri tetiklemek için moleküler örs kullanırken, aynı zamanda değiştirmek istemediğimiz alanları da koruyabiliriz” ve “bu, birçok yeni olanak yaratır” dedi.

SIMES araştırmacısı ve SLAC ve Stanford’da doçent olan çalışmanın ortak yazarı Nicholas Melosh, mekanik olarak yürütülen bir reaksiyonun; ısı, ışık veya elektrik akımı ile geleneksel yolda ilerlemenin aksine, aynı başlangıç ​​maddeleri içeriklerinden tamamen farklı ürünler üretme potansiyeline sahip olabileceğini söylüyor. Ayrıca bu yöntem, ısıya ya da çözücülere ihtiyaç duymadığından çok daha enerji verimlidir ve bu yüzden de çevre dostudur.

Maddeleri Elmaslarla Sıkıştırma

Deneyler, SLAC ile Stanford’da doçent, ayrıca SIMES’de bir araştırmacı ve makalenin ortak yazarlarından biri olan Wendy Mao’nun laboratuvarında espresso bardağı büyüklüğünde bir elmas örs ünitesi ile gerçekleştirildi.

Elmas örs üniteleri, iki elmasın düzleştirilmiş uçları arasında maddeyi sıkıştırabilir ve 500 gigapascal’ın üzerinde, yani Dünya’nın merkezindeki basıncın bir buçuk katı kadar muazzam basınçlara erişebilir. Bu elmas örs üniteleri, Dünya’nın derinlerinde bulunan minerallerin neye benzediğini ve baskı altındaki maddelerin diğer şeylerin yanı sıra alışılmadık özellikleri nasıl geliştirdiklerini keşfetmek için kullanılabilirler.

Mao, bu basınçlara elmasları birbirine yakınlaştırmak için vidaları sıkarak basit bir şekilde ulaştığını söyledi. “Basınç, birim alana uygulanan kuvvettir ve her biri bir karatın yalnızca dörtte biri ağırlığındaki iki küçük pırlantanın uçları arasında küçük bir miktarda numuneyi sıkıştırıyoruz” dedi. “Bu yüzden, yüksek basınçlara ulaşabilmek için sadece az bir miktarda kuvvet uygulamanız gerekiyor. ”

SIMES’te yardımcı bilim adamı olan ve deneyin yüksek basınç kısmını yöneten Yu Lin, elmaslar şeffaf olduklarından, ışığın elmaslardan geçerek örneklere ulaşabileceğini belirtti.

Lin, “Örnek sıkıştırılmış haldeyken reaksiyonu incelemek için birçok deney tekniği kullanabiliriz” dedi. “Örneğin; bir X ışını demetini numuneye gönderdiğimizde, numune, elmas üzerinden bir dedektöre geri dönen ışığı saçarak veya absorbe ederek tepki verir. Bu ışıktan gelen sinyali analiz etmek, bir reaksiyonun oluşup oluşmadığını gösterir.”

Melosh, “Bir numuneyi sıkıştırdığınızda genelde atomlar arasındaki tüm bağlar aynı miktarda küçülürken düzgün şekilde deforme olur” diyor.

Ancak bu her zaman böyle değildir diye ekliyor: “Epoksi gömülü karbon fiberler gibi hem sert hem de yumuşak bileşenlere sahip bir maddeyi sıkıştırırsanız, yumuşak epoksi içindeki bağlar karbon fiberdeki bağların daha fazlasını deforme edecektir.”

Tek bir molekülde bazı belirli bağları bükmek veya kırmak için aynı ilkeyi kullanıp kullanamayacaklarını merak ettiler.

Onları bu yöntem boyunca düşündüren şey, Melosh’un ekibinin, çıplak gözle görünmeyen ve bir karat’ın bir milyarda birinden daha az ağırlığında olan, elmasın mümkün olan en küçük parçaları olan nanoelmaslarla yaptığı bir dizi deney oldu. Melosh, nanoelmasları petrol akışkanından izole eden ortak bir SLAC-Stanford programını yönetiyor ve onları kullanmaları için yollar arıyor. Yakın tarihli bir çalışmada, ekibi, daha küçük, daha yumuşak moleküllere nanoelmaslar bağlayarak, kendilerini mümkün olan en ince elektrik tellerine birleştiren, kükürt ve bakır iletken bir çekirdeğe sahip olan Lego benzeri bloklar oluşturdu.

Epoksideki karbon fiberler gibi, bu yapı taşları da sert ve yumuşak parçalar içeriyordu. Bir elmas örsüne koyulursa, sert kısımlar yumuşak parçaları düzensiz bir şekilde sıkıştıran ve deforme eden mini örs şeklinde davranır mıydı?

Keşfettikleri cevap evetti.

Küçük Örsler Yeni Olasılıklar Ortaya Çıkartıyor

İlk denemeleri için karboran denilen katı bir molekülden yapılmış moleküler örslere bağlanmış bakır kükürt dizileri (sekiz atomdan oluşan küçük parçacıklar) kullandılar. Bu birleşimi elmas örs hücresine koydular ve basıncı arttırdılar.

Basınç yeterince yüksek olduğunda, nanotel dizisindeki atom bağları kırıldı, ancak hepsi bu kadar değildi. Araştırmacılar, kükürt atom elektronlarının bakır atomlarına geçtiğini ve saf bakır kristallerini oluşturduğunu, ısı ile yönlendirilen klasik reaksiyonlarda oluşamayacaklarını belirttiler. Bu değişimin geri dönüşsüz hale geldiği bir dönüm noktası keşfettiler. Bu basınç noktasının altında, basınç azaltıldığında nanotel dizisi orijinal haline geri döner.

Sayısal çalışmalar, neler olduğunu ortaya çıkardı: Elmas örs ünitesindeki basınç, moleküler örslerin hareket etmesine neden oldu ve dizideki kimyasal bağları sıkıştırarak bağları olduğundan en az 10 kat fazla sıkıştırdı. Yan ayrıca, bu sıkıştırmanın düzgün olmadığını, nanotel kümesinin bazı bağlarını kırdığını, kopmalara, elektronların hareket ettirilmesine ve bakır kristallerinin oluşumuna neden olacak şekilde büküldüğünü söyledi.

Diğer deneyler, bu kez, moleküler örsler olarak nanoelmaslar ile, küçük örslerin boyut ve konumlarındaki küçük değişikliklerin, bir reaksiyonu tetiklemek veya bir molekülün bir bölümünü korumak arasındaki farkı sağlayabileceğini, böylece eğilmediğini veya tepki göstermediğini gösterdi.

Bilim insanları, Stanford’daki elektron mikroskobu ve DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisindeki iki farklı X-ışını ölçümlerini de içeren çeşitli tekniklerle bu değişiklikleri gözlemlemişlerdir (Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarında Gelişmiş Işık Kaynağı ve Argonne Ulusal Laboratuarda Gelişmiş Foton Kaynağı)

Mao, “Bu çok heyecan verici ve tamamen yepyeni bir alan yaratıyor. Bizim tarafımızdan, basıncın, yeni nesil güneş pilleri için büyük potansiyele sahip olan, perovskit halojenürlere hiçbir kayıp olmadan elektriği ileten süper iletkenlerden, teknolojik olarak ilginç çok çeşitli malzemelere kadar nasıl etkilediğini araştırmakla ilgileniyoruz. İlk olarak, pratik hakkında daha fazla düşünebilmemizin, çok temel bir bilim bakış açısıyla mümkün olabileceğini anlamamız gerekir” dedi.

Yan, araştırmacıların ileride, bu tekniği, geleneksel yollarla yapılması zor olan reaksiyonlarda kullanmak ve sıkıştırmanın bu reaksiyonları daha kolay hale getirip getirmediğini görmek için kullanmak istediklerini belirtti.

Yan, “Büyük bir hayal kuracak olursak: Sıkıştırma, havadaki karbondioksiti yakıta ya da havadaki azotun gübreye dönüştürebilir mi? Bunlar, moleküler örslerin insanların keşfetmelerine izin verecekleri bazı sorulardır” dedi.

Kaynak: sciencedaily.com