Naar de content

Moleculen reageren onder grote druk

Wikimedia Commons, RAF-YYC via CC BY 2.0

Kunnen we straks met minder energie chemische reacties laten verlopen? Wetenschappers slaagden er via mechanische krachten in om selectief een binding in een kristal te verbreken. Het is de eerste keer dat onderzoekers dit lukt.

Een cel bestaande uit twee diamanten die hele hoge druk kunnen opwekken.

 Wikimedia Commons, Tobias 1984 via CC BY-SA 3.0

Chemische reacties zijn vaak ingewikkeld. Je hebt stoffen die met elkaar moeten reageren, je lost ze op in een vloeistof en om te zorgen dat de reactie daadwerkelijk op de juiste manier verloopt voegen chemici nog extra chemicaliën toe. En dan kost het vaak nog veel energie om het product te zuiveren. Dit kan ook anders: met mechanochemie. Onderzoekers van onder andere de Stanford Universiteit in Amerika hebben het nu voor het eerst voor elkaar gekregen om een verbinding te verbreken door hun molecuul onder hoge druk samen te persen.

Vuurstenen

Voor mechanochemie gebruik je geen oplosmiddelen of extra hulpstoffen, maar start je de reactie met mechanische krachten zoals wrijving of druk. Een bekend voorbeeld is de vonken die ontstaan als je vuursteen en ijzer tegen elkaar slaat. In Nederland doen momenteel niet veel wetenschappers onderzoek naar deze technieken, maar groepen in het buitenland lukte het al om met pure trekkracht polymeren uit elkaar te halen of ringvormige moleculen te openen. “Je kunt met mechanische krachten ook metalen legeren die normaal gesproken onmengbaar zijn”, vertelt Hessel Castricum, onderzoeker aan de TU Delft.

In de groep van Nicolas Milosh, hoogleraar materiaalkunde en technologie aan de Stanford Universiteit, zetten ze deze techniek nu voor het eerst in om specifieke verbindingen in een molecuul te verbreken. Om dit te doen heb je een hoge isotrope druk nodig, dat is druk die van alle kanten tegelijk op de moleculen drukt. Daarom gebruiken ze een speciaal apparaat met twee stukken diamant die elkaar op platte punten raken. “Hiertussen kunnen we de druk enorm opvoeren”, zegt Milosh. “Want alle druk concentreert zich op dat kleine oppervlak van de punt.”

Verbinding verbroken

Tussen de diamanten leggen de Amerikanen hun moleculen. Voor dit experiment gebruiken ze kristallen die zachte en harde delen bevatten. Ze combineren de harde diamandoïden – kleine kooi-achtige moleculen opgebouwd uit koolstof en waterstof – met zachte, flexibele ketens ertussenin. Terwijl ze de druk opvoeren, volgen ze met röntgenstraling de vervorming en chemische samenstelling en analyseren ze wat er gebeurt. “Normaal gesproken vervormen kristallen uniform, dus op alle plekken hetzelfde”, legt Milosh uit. “Maar wij zagen een reactie in de zachte delen, er verplaatsen elektronen en de binding breekt.”

De harde, stijve delen in dit molecuul zorgen ervoor dat onder hoge druk specifiek een binding ertussen breekt.

 Nature, via Nicholas Milosh

Uit berekeningen en metingen bleken de harde delen in het kristal voor deze reactie te zorgen. Milosh: “Die blijven stijf en bewegen ten opzichte van elkaar, waardoor er nog meer kracht wordt uitgeoefend op het zachte deel. Uiteindelijk breekt deze binding.”

Selectief

Castricum noemt het resultaat van het onderzoek erg interessant: “Ze hebben het molecuul expres asymmetrisch opgebouwd, waardoor ze selectief een binding breken. Het is voor het eerst dat dit op deze manier, onder isotrope druk, lukt. Bovendien hebben ze de vervorming precies kunnen volgen, waardoor je veel informatie krijgt over hoe zulke reacties verlopen.”

Een toepassing lijkt alleen nog wel ver weg, geeft Milosh toe: “Het is een eerste stap, een bewijs dat we het kunnen. We gaan nu proberen om systemen te ontwikkelen voor reacties die normaal gesproken moeilijk verlopen, zoals het omzetten van CO2.” Castricum weet ook niet direct een toepassing, maar ziet wel voordeel in het gebruik van mechanochemie: “Voor bepaalde reacties heb je veel minder materiaal nodig en je produceert nauwelijks afval. Dit kan erg aantrekkelijk zijn voor industriële processen. Ook geeft mechanochemie meer inzicht in hoe bepaalde reacties verlopen, daaraan levert dit soort onderzoek een belangrijke bijdrage.”

Bron:
ReactiesReageer