Los resultados inesperados de un experimento de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía podrían abrir una nueva vía para la síntesis de nuevos materiales y también ayudar a explicar la formación de estructuras orgánicas complejas observadas en el espacio interestelar.
en un artículo publicado en la revista Edición internacional Angewandte Chemie , el equipo multiinstitucional de investigadores, dirigido por Haiyan Zheng del Centro de Investigación Avanzada de Ciencia y Tecnología de Alta Presión en Beijing, anteriormente de la Institución Carnegie de Washington, discute su descubrimiento del uso de altas presiones, en lugar de altas temperaturas- para iniciar reacciones químicas.
Su investigación mejorará significativamente la comprensión de los científicos sobre las estructuras complejas de carbono y puede ofrecer pistas sobre la formación de aminoácidos a partir de procesos no biológicos.
"Este descubrimiento fue algo así como un hermoso accidente", dijo Ilia Ivanov, científica investigadora del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de la ORNL, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia de la Oficina del Departamento de Energía.
Ivanov explica que todo comenzó durante un experimento de difracción de neutrones en la fuente de neutrones Spallation de ORNL, también una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. Mientras realizaba un experimento de polimerización a alta presión en el compuesto químico acetonitrilo CH3CN utilizando el instrumento SNAP,Los investigadores detectaron la presencia inesperada de amoníaco. El amoníaco es un gas incoloro pero tiene un olor muy distinto que puede detectarse en cantidades mínimas.
"Si pones acetonitrilo bajo altas presiones, unirás moléculas y verás que reacciona consigo mismo, y eventualmente, formará un polímero amarillento sólido o, como descubrimos, un material negro rico en carbono".Ivanov dijo.
El acetonitrilo es uno de una serie de compuestos orgánicos que se han descubierto en el espacio exterior y se cree que está implicado en los orígenes de los aminoácidos simples, una de las moléculas básicas de la vida. En un evento cósmico como una colisión de asteroides,las presiones y temperaturas generadas pueden ser muy grandes y, en presencia de acetonitrilo, podrían imitar el experimento que realizaron los investigadores en SNAP.
La formación del polímero amarillento fue el resultado esperado del experimento SNAP, dijo el científico del instrumento SNAP Chris Tulk, pero una sorpresa estaba justo por delante.
"Cuando la muestra se despresurizó y se abrió la celda de presión, se detectó amoníaco. Tiene un aroma muy distinto", dijo Tulk. "Pensamos, 'no debería haber amoníaco en esta muestra en este momento'. Entonces comenzamosbuscando lo que pudo haberle pasado a la primera forma y luego a liberar el amoníaco ".
Los investigadores experimentales luego colaboraron con expertos en microscopía electrónica avanzada, ciencia de materiales e informática para comprender los misteriosos resultados. Basado en una combinación de simulaciones por computadora y microscopía, concluyeron que el nitrógeno había salido de la muestra de acetonitrilo, lo que resultó en un carbono enriquecido.material basado.
"El material de carbono que quedaba fue fotografiado usando nuestros mejores microscopios electrónicos", dijo Ivanov. "Tenía capas parecidas a una cebolla, una capa de lámina de carbón tras otra. Así que el nitrógeno se fue a algún lado, pero ¿a dónde se fue?escapó en forma de gas amoniaco "
Debido a que generalmente se requiere un catalizador basado en la temperatura para convertir un polímero en otro material, esta capacidad de causar una reacción química solo a través de la presión es inusual.
"Quería continuar haciendo estos experimentos para determinar cuánto podríamos controlar la estructura de un material de carbono a través de la presión, no de la temperatura", dijo Ivanov, comparando las condiciones experimentales con las que se encuentran en las ollas a presión domésticas.
"En la mayoría de los casos, las ollas a presión todavía usan altas temperaturas para ayudar a que los alimentos se cocinen completamente. Pero con nuestros experimentos, hemos podido usar una especie de cocción a presión a temperatura ambiente, aunque a presiones mucho más altas".
Mientras que una olla a presión funciona a 0.1 megapascales, estos experimentos utilizaron presiones mucho más altas, hasta 23,000 megapascales, que corresponde a la presión encontrada 650 kilómetros debajo de la superficie de la Tierra en el límite entre su manto superior e inferior.
"Este documento es realmente emocionante para nosotros", dijo Tulk. "Al utilizar este proceso con la adición de oxígeno, posiblemente mediante la adición de dióxido de carbono o agua en los reactivos, estructuras de carbono complejas similares a las que sospechamos durante la formación tempranade aminoácidos en la Tierra puede realizarse ".
Los investigadores señalan que la experiencia interdisciplinaria en ciencias de neutrones y nanociencia, junto con el Centro de Investigación de Fronteras Energéticas en Ambientes Extremos EFree, hicieron posible la investigación. EFree es un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas del DOE.
"Uno sin el otro parecía una misión unilateral. Dos aspectos de investigación, estructura y funcionalidad, se unieron a través del trabajo sinérgico. A través de esfuerzos conjuntos como este, continuamos ayudando a los usuarios a impulsar el descubrimiento de nuevos materiales ynuevas funcionalidades ", dijo Ivanov.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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