Когда мы думаем о химической реакции, то представляем себе булькающие жидкости в колбе или нагревание смеси до тех пор, пока что-нибудь не преобразуется. Но некоторые из наиболее важных реакций в природе и промышленности не требуют тепла или растворителей. Вместо этого им нужна сила.
Механическая химия
Механическая химия — это область, в которой физическое давление или напряжение запускают химические реакции. Представьте себе молекулы, которые сталкиваются друг с другом, как бамперные машины, или встряхиваются в гигантском шейкере для коктейлей. Такие столкновения происходят каждый день внутри автомобильных двигателей, производственного оборудования и экспериментальных зелёных реакторов.
Однако до недавнего времени учёные пытались объяснить, как именно происходят эти реакции, вызванные силой, и как сделать их более эффективными. В лаборатории Роберта Карпика в Инженерной школе Пенсильвании (Penn Engineering) занимались этой проблемой в рамках Центра механического управления химией — инновационного химического центра, цель которого — изменить понимание и внедрение механической химии.
Новая теоретическая модель
Карпик вместе с Кангю Ку, докторантом, и Лу Фангом, бывшим аспирантом в лаборатории Карпика, разработали теоретическую модель, которая преодолевает предыдущие трудности в точном описании взаимосвязи между механическим напряжением и химическими реакциями.
Их исследование, опубликованное в журнале Physical Review B, восполняет пробел в описании сил, возникающих при сжатии молекул между двумя поверхностями. Этот результат облегчает прогнозирование механохимических реакций, которые перспективны для экологически чистого производства пластмасс, металлических соединений, смазочных материалов и многого другого.
Учёные давно знают, что механическое напряжение может «активировать» химические реакции, то есть снизить энергию, необходимую для взаимодействия молекул. Но предыдущие попытки измерить ключевое свойство, называемое «объёмом активации», который показывает, насколько легко приложенное напряжение изменяет энергию, необходимую для реакции, давали крайне противоречивые результаты.
Проблемы измерения объёма активации
«Разные исследования показывали объёмы активации, которые отличались в сто раз», — объясняет Ку. «Это затрудняет интерпретацию таких реакций исследователями, изучающими механическую химию. Мы не могли надёжно определить ни величину, ни физический смысл объёма активации в разных сценариях».
Без точного способа измерения объёма активации инженеры не могли уверенно прогнозировать механохимические реакции, что препятствовало разработке более эффективных смазочных материалов, более чистых промышленных процессов или более эффективных методов синтеза материалов.
Решение проблемы
Чтобы устранить путаницу, команда внимательно изучила, как измерять эти реакции в лаборатории и в простейшем масштабе. Они рассмотрели, что происходит в точке контакта между двумя сферами: представьте себе шарикоподшипники, которые прижимаются друг к другу, но гораздо меньшего размера.
«Но напряжения в точках контакта не являются идеально однородными, — говорит Карпик. — Когда две сферы соприкасаются, напряжение не одинаково по всей площади контакта. Это нарушает математические расчёты, и эта головоломка стала нашей первой задачей, которую нужно было решить».
Предыдущие модели основывались на предположениях о напряжениях и размере контакта, что приводило к неточностям, которые могли быть настолько велики, что становились бесполезными в любом исследовании оптимизации.
Команда Карпика разработала новую модель, которая учитывает две ключевые проблемы: во-первых, напряжение по всему контакту неоднородно, а во-вторых, при более сильном сжатии сфер площадь контакта изменяется, что влияет на количество реагирующих молекул.
Результаты исследования
Включив оба этих фактора, исследователи создали модель, которая точно соответствует реальным данным, устраняя давние расхождения между экспериментами микромасштаба и наномасштаба.
Чтобы подтвердить свою модель, команда изучала реакции в системе, называемой контактом Герца, — классическим способом описания того, как круглые объекты соприкасаются. Вместо моделирования сложного промышленного оборудования они сосредоточились на более простой установке: сферический наконечник, давящий на плоскую поверхность.
Такой тип контакта сферы с плоской поверхностью также представляет собой основной строительный блок практически всех практических шероховатых поверхностей, где контакт происходит во многих крошечных отдельных точках, которые очень напоминают эту геометрию.
«Мы обнаружили, — говорит Ку, — что, учитывая как распределение напряжений, так и площадь контакта, мы наконец-то смогли объединить данные, которые раньше выглядели совершенно разрозненными. Все эти странные значения объёма активации теперь согласуются и имеют смысл».
Значение модели
Результаты этой модели выходят далеко за рамки лабораторных исследований.
С одной стороны, она помогает инженерам разрабатывать более эффективные смазочные материалы для двигателей, особенно в автомобилях на газе и электромобилях. Внутри двигателя специальные добавки в смазочных материалах, которые защищают движущиеся части, реагируют под напряжением, образуя защитные плёнки, которые уменьшают износ. Но до сих пор разработка этих добавок включала значительный объём проб и ошибок.
«Механическая химия может помочь нам сбалансировать производительность и эффективность, — говорит Фанг. — Если смазка слишком густая, она тратит энергию. Если она слишком жидкая, она не защищает двигатель или шестерни. Имея более точные данные, мы можем выбрать правильные добавки, которые реагируют под давлением как раз настолько, чтобы выполнять обе функции».
С другой стороны, модель открывает новые возможности в экологически чистом производстве. Механохимический синтез может создавать всё: от неорганических и органических соединений до полимеров, наночастиц, материалов, связанных с энергетикой, и фармацевтических препаратов, часто без необходимости использования тепла или органических растворителей — двух основных источников потребления энергии и отходов в традиционной химии. Но внедрение в промышленность шло медленно из-за неопределённости в управлении реакциями.
Эта новая модель помогает изменить ситуацию. «Имея более полное понимание, мы можем настроить объём активации, — говорит Карпик. — Мы хотим иметь возможность выбирать или даже проектировать молекулы для заданных механических условий, которые дают нам нужные реакции экологически чистым, эффективным и точным способом. Эта модель помогает нам приблизиться к решению этой грандиозной задачи».
Хотя модель фокусируется на упрощённых системах, команда рассматривает её как строительный блок для более сложных практических применений. Будущие версии могут моделировать реальные реакторы, моделировать различные поверхности материалов или направлять разработку совершенно новых классов химических продуктов или материалов.
«Наконец-то мы получаем ясное представление о том, как механическое напряжение управляет химией, — говорит Карпик. — И это будет означать, что мы сможем перестать просто встряхивать коктейль и надеяться на нужные продукты, а вместо этого сможем проектировать их с ранее недостижимой точностью».