Изомеризация неорганических материалов. Три года назад, когда Ричард Робинсон, адъюнкт-профессор материаловедения и машиностроения, находился на творческом отпуске в Еврейском университете в Израиле, он попросил аспиранта прислать ему несколько наночастиц определенного размера.

Изомеризация хорошо установлена ​​в небольших органических молекулах (например, цис-транс-превращение азобензола), тогда как объемные неорганические твердые вещества демонстрируют фазовые превращения. Несмотря на небольшой размер, нанокристаллы следуют объемному поведению при превращении твердого тела в твердое. В еще меньших масштабах длины неорганические кластеры изомеризуются с молекулярными и неорганическими твердоподобными характеристиками. Красный и синий обозначают две разные структуры. Фото: Наука (2019). DOI: 10.1126 / science.aau9464

«Когда они добрались до меня, я измерил их спектрометром и сказал:« Подожди, ты послал мне более мелкие частицы вместо более крупных ». И он сказал: «Нет, я отправил вам более крупные», — вспоминает Робинсон о своей беседе со своим советником Кертисом Уильямсоном, докторантом в области химической и биомолекулярной инженерии. «Мы поняли, что они, должно быть, изменились за время полета. И это вызвало каскад вопросов и экспериментов, которые привели нас к этому новому открытию ».

Они пришли к выводу, что частицы преобразовались во время их поездки из Итаки в Иерусалим. Эта реализация привела к открытию неорганической изомеризации, в которой неорганические материалы способны переключаться между дискретными состояниями практически мгновенно — быстрее, чем скорость звука. Это открытие устраняет разрыв между тем, что известно об фазовых изменениях в органических молекулах, таких как те, которые делают возможным зрение, и в объемных материалах, таких как переход графита в алмазы.

Их находка была удивительной, потому что она подразумевала, что неорганические материалы могут трансформироваться подобно органическим молекулам, сказал Робинсон, соавтор статьи «Химически обратимая изомеризация неорганических кластеров», которая была опубликована 15 февраля в журнале Science .

«Мы обнаружили, что если вы усадите неорганический материал достаточно маленьким, он может легко перепрыгивать между двумя отдельными фазами, вызванными небольшим количеством спирта или влаги на поверхности», — сказал Робинсон. «Во время полета в грузовом контейнере должна была быть влага, и образцы сменили фазу».

Уильямсон — первый автор статьи. Старшие авторы — Робинсон; Тобиас Ханрат, доцент Школы химической и биомолекулярной инженерии Смита; и Ури Банин, профессор химии в Еврейском университете. Дуглас Неверс, доктор философии '18, Эндрю Нельсон, докторант в области материаловедения и инженерии, и Идо Хадар из Еврейского университета также внесли свой вклад.

«Мы соединили два мира между большими материалами, которые меняются медленнее, и маленькими, органическими материалами, которые могут последовательно перемещаться между двумя государствами», — сказал Робинсон. «Удивительно, что мы увидели мгновенное превращение из одного состояния в другое в неорганическом материале, и удивительно, что оно инициируется простой поверхностной реакцией».

Изомеризация — превращение молекулы в другую молекулу с теми же атомами, просто в другом расположении — распространена в природе. Часто это вызвано добавлением энергии, например, когда свет заставляет молекулу в сетчатке переключаться, обеспечивая зрение; или как оливковое масло при слишком высоком нагревании изомеризуется в нездоровую форму, известную как транс-жир. Объемные материалы, такие как графит, также могут изменять фазы, но они требуют гораздо больше энергии, чем на молекулярном уровне, и изменение происходит более постепенно, причем изменение распространяется по всему веществу, а не мгновенное преобразование.

В прошлом было обнаружено, что более крупные наночастицы изменяют фазы таким образом, чтобы они были ближе к тому, как изменяются объемные материалы, чем к молекулам. Но когда команда Корнелла посмотрела на еще более мелкие кластеры атомов на Синхротронном источнике высокой энергии Корнелла (CHESS), они впервые заметили быстрое изменение между дискретными состояниями.

«Теперь мы наконец видим, что есть новый режим, в котором вы можете мгновенно переключаться из одного состояния в другое», — сказал Ханрат. «Если вы сделаете их достаточно маленькими, неорганические материалы могут очень легко переворачиваться. Это откровение ».

Робинсон сказал, что исследователи не смогли бы точно определить положения атомов без CHESS, где они провели эксперименты по полному рассеянию, в которых они исследовали все рентгеновские рассеяние кластера, что позволило им точно определить местоположение атомов.

Им также помогла новая методика, которую они разработали для создания кластеров магического размера — так называемых, потому что они имеют «идеальное» количество атомов и больше не могут быть добавлены отдельные атомы, что делает их чрезвычайно стабильными.

«Мы смогли создать очень чистый кластер магического размера», — сказал Робинсон. «Из-за этого, когда он реагирует со спиртом или водой, вы видите очень чистое превращение» из одного дискретного состояния в другое.

Хотя необходимы дальнейшие исследования, возможные будущие приложения включают использование этих частиц в качестве переключателей в вычислениях или в качестве датчиков, сказал Робинсон. Это открытие также может найти применение, относящееся к квантовым вычислениям или как источник для создания более крупных наночастиц.

По материалам phys.org