Yhdysvaltalaisen Stanfordin yliopiston tutkijoiden johtama tutkimusryhmä on onnistunut rakentamaan pienimmistä mahdollisista timantinmurusista sekä muista erittäin kovista hiukkasista ”molekulaarisia alasimia”.

Nämä alasimet puristavat ja vääntävät molekyylejä siihen pisteeseen asti, että molekyylien kemiallinen sidos hajoaa ja atomit vaihtavat elektroneja keskenään.

Keksintö on hyvinkin merkittävä esimerkiksi siksi, että kyseessä on ensimmäinen kerta, kun tällaisia kemiallisia reaktioita on saatu aikaiseksi yksinomaan mekaanisen paineen avulla. Tutkijoiden mukaan heidän menetelmänsä tarjoaa uuden, ympäristöystävällisemmän, energiatehokkaamman ja täsmällisemmän tavan harjoittaa kemiaa molekyylitasolla.

”Molekulaaristen alasimien paine voi rikkoa kemiallisia sidoksia ja laukaista toisenlaisen reaktion, jossa elektronit siirtyvät atomista toiseen.”

Tutkijoiden saavutuksia käsittelevä tutkimus julkistettiin tänään keskiviikkona Nature-tiedejulkaisussa. Tutkimuksesta uutisoi EurekAlert-sivusto.

”Toisin kuin muut mekaaniset tekniikat, jotka käytännössä kiskovat molekyylejä siihen asti, että ne hajoavat, me osoitimme, että molekulaaristen alasimien synnyttämä paine voi rikkoa kemiallisia sidoksia ja laukaista toisenlaisen reaktion, jossa elektronit siirtyvät atomista toiseen”, kertoi yksi tutkimusta johtaneista tutkijoista, Stanfordin yliopiston postdoc-tutkija Hao Yan lehdistötiedotteessa.

”Voimme käyttää molekulaarisia alasimia aiheuttaaksemme muutoksia molekyylin tietyssä osassa ja jättäen muut alueet koskemattomiksi”, Yan kertoo.

Tutkijoiden mukaan mekaanisin periaattein toimivalla prosessilla on mahdollisuus tuottaa täysin erilaisia reaktiotuotteita samoista perusaineista, kuin mitä esimerkiksi tavanomaisissa lämmöllä, valolla tai sähkövirralla toimivissa menetelmissä käytetään.

Timanttien puristuksessa

Kokeita tehtiin espressomukin kokoisella DAC (diamond anvil cell) -puristinlaitteella laboratorio-olosuhteissa.

DAC-laite puristaa materiaaleja valtavalla paineella kahdella litteäpäisellä timantilla. Laitteen puristusvoima voi parhaimmillaan vastata jopa noin puolitoista kertaa kovempaa painetta, kuin mikä vallitsee maapallon sisemmässä ytimessä.

Valosignaali matkaa timantin kautta tunnistimeen, jonka antamia tietoja voidaan analysoida samalta istumalta.

Puristimen luomat hurjat paineet saavutetaan yllättävän yksinkertaisella tavalla: timanttien litteät puoliskot lähenevät toisiaan ruuveja kiristimällä. Timanttien väliin jäävä pinta-ala on hyvin pieni, sillä molemmat timantit painavat vain neljäsosan karaatista, joka taas vastaa 200 milligrammaa.

Timanttien läpinäkyvyydestä on paljon hyötyä, sillä niiden läpi säteilevä valo osuu puristuksissa olevaan materiaaliin ja voi antaa paljonkin tietoa materiaalissa tapahtuvista ilmioistä esimerkiksi valon siroutuessa. Valosignaali matkaa timantin kautta tunnistimeen, jonka antamia tietoja voidaan analysoida samalta istumalta. Tiedot antavat vihiä siitä, onko materiaalissa tapahtunut haluttu reaktio vai ei.

”Se mitä yleensä tapahtuu, kun näytettä puristetaan, on että näyte rusentuu tasaisesti siten, että atomien väliset sidokset kutistuvat saman verran”, kuvaili tutkimuksessa mukana ollut Stanfordin yliopiston professori Nicholas Melosh lehdistötiedotteessa.

Tapahtumien kulku ei kuitenkaan aina etene näin.

”Jos tiivistetään materiaalia, jossa on sekä kovia että pehmeitä osasia, kuten hiilikuituja sulautettuna epoksiin, pehmeän epoksin sidokset rusentuvat paljon suuremmissa määrin kuin hiilikuidun sidokset”, Melosh jatkoi.

Tutkijat inspiroituvat juuri kyseisestä Meloshin esittämästä seikasta ja tuumailivat, voisiko materiaalin osasien muutosten välistä eroavaisuutta hyödyntää tiettyjen sidosten taivuttamiseen tai särkemiseen yhden molekyylin sisällä.

Myös Meloshin aiemmat tutkimukset toivat lisäpontta tutkijoiden epäilykselle.

Hän on työskennellyt toisen tutkijaryhmän kanssa nanotimanttien eli paljaille silmille näkymättömien timantinmurusten parissa. Melosh ja hänen kollegansa ovat vieläkin käynnissä olevassa projektissa eristäneet timantinmurusia maaöljynesteestä. Viimeisimmissä kokeissa he liittivät nanotimantteja pienempiin ja pehmeämpiin molekyyleihin muodostaen Lego-palikoiden kaltaisia murikoita. Murikat kiinnittyivät toisiinsa omatoimisesti muodostaen ohuimpia mahdollisia sähköjohtimia rikki- sekä kuparisisuksilla.

Kuten epoksin ja hiilikuidun yhdistelmissäkin, Meloshin ryhmän murikoissa oli kovia sekä pehmeitä osia.

Tutkijat huomasivat, että paineprosessissa on myös piste, josta ei ole paluuta entiseen materiaaliin.

Tutkijoilla olikin kaiken pohdinnan jälkeen mielissään kysymys: jos materiaalit laitettaisiin DAC-puristimeen, käyttäytyisivätkö kovat osat miniatyyrialasimina, jotka puristavat ja runtelevat pehmeitä osia epäyhtenäisellä tavalla?

Vastaus, jonka tutkijaryhmä sai työt tehtyään oli: kyllä käyttäytyvät.

Varsinainen tulikoe

Ensimmäisissä kokeissaan tutkijat käyttivät kupari-rikkiryppäitä, jotka ovat jäykkiin molekulaarisiin karboraanialasimiin kiinnitettyjä kahdeksanatomisia hiukkasia. Tutkijat laittoivat yhdistelmänäytteen puristimeen.

Kun paine nousi tarpeeksi korkeaksi, ryppään atomisidokset hajosivat ja elektronit siirtyivät rikkiatomeista kupariatomeihin. Tuloksena oli virheettömiä kuparikiteitä, joita ei olisi saatu aikaiseksi tavanomaisin, esimerkiksi lämpöä käyttävin menetelmin.

Tutkijat huomasivat, että paineprosessissa on myös piste, josta ei ole paluuta entiseen materiaaliin. Mikäli tuon paineen ylärajan alla pysytään, palaa ryppään sidoskirjo takaisin alkuperäiseen muotoonsa, kun siihen kohdistettu paine hellittää.

Tapahtumasarjan tietokoneellinen analysointi paljasti paljon.

DAC-laitteen luoma paine siirtyi molekulaarisiin alasimiin, jotka taas puolestaan puristivat kupari-rikkiryppään kemiallisia sidoksia, tiivistäen sidosrakennetta ainakin kymmenen kertaa litteämmäksi alkuperäisestä. Tiivistymisprosessi oli epätasainen ja se taivutti tai väänsi köysimäisen ryppään sidoksia niin, että ne hajosivat, elektronit siirtyivät atomit muuttoliikkeeseen. Tiivistyminen loi myös kuparikiteitä.

Muissa kokeissa tutkijat käyttivät karboraanien sijasta nanotimantteja molekulaarisina alasimina.

”Jos haluamme unelmoida isosti, voisiko tiivistäminen auttaa ilman hiilidioksidin muuttamisessa polttoaineeksi tai ilman typen muuttamisessa lannoitteeksi?”

”Timanttialasimia” käyttämällä tutkijat osoittivat, että pikkuriikkisten alasimien minimaaliset koko- ja asentomuutokset voivat vaikuttaa reaktioiden käynnistymiseen tai molekyylin tietyn osan säilyvyyteen niin, että se ei taivu tai reagoi jollain muulla tavalla.

Tutkijat seurasivat muutoksia muun muassa elektronimikroskooppien sekä röntgenmittausten avulla.

Entä tulevaisuuden hyödyt?

”Olemme kiinnostuneita tutkimaan sitä, millainen vaikutus paineella on moniin teknologisesti merkittäviin materiaaleihin”, kertoi tutkimukseen osallistunut Stanfordin yliopiston professori Wendy Mao lehdistötiedotteessa.

”Tutkimuksen edistyessä tutkijat haluavat käyttää tätä menetelmää havainnoidakseen reaktioita, joita on vaikea saada aikaiseksi perinteisin menetelmin ja nähdäkseen, tekeekö tiivistäminen niistä helpompia toteuttaa”, pohti Hao Yan lehdistötiedotteessa.

”Jos haluamme unelmoida isosti, voisiko tiivistäminen auttaa ilman hiilidioksidin muuttamisessa polttoaineeksi tai ilman typen muuttamisessa lannoitteeksi?” Yan maalailee.