Поставлен под сомнение один из фундаментальных принципов в химии | Популярный Университет

Поставлен под сомнение один из фундаментальных принципов в химии

Учёные из Южной Кореи обнаружили ранее неизвестный способ преобразования энергии химической реакции. Результаты исследования поставили под сомнение одно из фундаментальных представлений о молекулярной диффузии. Итоги работы опубликованы в журнале Science.

Вопрос о том, как напрямую преобразовать химическую энергию в механическую объединяет вокруг себя учёных из разных областей науки: биологии, химии, физики. Пример такого естественного преобразования — сокращение мышц, энергетический источник которого АТФ. Одно из решений вопроса — так называемые молекулярные машины, создателям которых в 2016-м была присуждена Нобелевская премия по химии.

В 2020 году группа учёных из южнокорейского города Ульсан зафиксировала ускорение молекулярной диффузии в процессе химического взаимодействия. Иными словами, молекулы как бы «заряжались» энергией.

Из 15 органических реакций, протекающих в относительно мягких условиях, исследователи идентифицировали шесть, в которых наблюдался необычный эффект. Четыре из них происходят в присутствии катализатора — вещества, ускоряющего химическую реакцию, — а оставшиеся две в нём не нуждались. Выделяющаяся энергия позволила молекулам перемещать по траекториям, отличным от броуновского движения.

Диффузию и скорость реакций в исследуемых растворах авторы изучали с помощью микрофлюидных чипов (о них мы писали ранее) и импульсной ЯМР-спектроскопии. Чтобы измеряемый сигнал соответствовал исключительно диффузионному движению, учёные подавили конвекционные потоки. Следили за катализатором, а также за молекулами растворителя и реагентов.

В результате исследователи зафиксировали значительное (до 20%) увеличение диффузии для катализируемых реакций. При этом скорость самой реакции оставалась постоянной. Не менее интересно то, что ускорение испытывали молекулы реагента и растворителя,  а также частицы катализатора. Учёные интерпретировали такое наблюдение как результат гидродинамического связывания молекул растворителя с реакционными центрами катализатора. В пользу этой версии говорит и растущая зависимость диффузии растворителя от концентрации катализатора.

Немного иная картина представилась в случае некатализируемых реакций. Рост подвижности молекул реагентов составил около 3 %, а изменение диффузии растворителя не наблюдалось вовсе. Обобщая полученные данные, авторы заключили, что наблюдаемое увеличение диффузии по сравнению с броуновским движением зависит от скорости высвобождения энергии во время химической реакции. И катализатор здесь играет ключевую роль. Уменьшая энергетический барьер, он способствует увеличению скорости её выделения. Чего нельзя сказать о реакциях без катализатора, в которых скорость выделения энергии не достигает необходимого значения.

На сегодняшний день трудно оценить всю значимость сделанного открытия. Однако уже сейчас можно сказать, что полученные эмпирические зависимости могут стать полезными для оценки подобного эффекта в ещё непроверенных реакциях. Авторы работы выражают надежду, что полученные знания станут полезными при создании новых молекулярных нанороботов, в медицине и для разработки экологически чистых материалов.

Автор: Альберт Ахмадеев
Редактор: Анастасия Воротникова

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: