化学者は、レーザーで化学結合を「揺り動かす」ことによって反応を加速します

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ビデオ: 【化学基礎】 物質の変化14 化学反応式の計算 (16分) 2022, 12月
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Anonim
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実験スキーム。イソシアネートとアルコールの溶液(左)にIR放射が照射され、その光子エネルギーはO-H結合の振動エネルギーと一致します。これにより、ウレタン生成反応が加速します(右)

ドイツとエジプトの化学者は、赤外線レーザーを使用して分子内の個々の結合の振動を励起することにより、分子間反応の加速を最初に実証しました。フェムト秒レーザーパルスの作用下でのウレタン重合反応では、ほぼ24パーセントの速度の増加が記録されました。このアプローチは、通常は高温を必要とするいくつかの化学プロセスを加熱せずに実行するのに役立ち、反応を制御し、より安価なフォトリソグラフィーを作成するための新しい可能性を開きます。この研究はジャーナルNatureChemistryに掲載されており、ChemistryWorldによって簡単に報告されています。

簡単に言えば、すべての化学反応は同じように進行します。出発試薬は互いに衝突し、エネルギーが増加した遷移状態を形成します。次に、この遷移状態が分解し、反応生成物が形成されます。それらの総化学エネルギーは、最初の物質のエネルギーよりも小さくなります。このようなエネルギッシュな変化は、上り坂を上り、その後、小道の始点よりも低い地点まで下りるのと比較できます。

化学反応の過程を加速するには、分子の初期エネルギーを増加させてから、より頻繁に遷移状態(山の頂上)に到達するか、遷移状態のエネルギーを減少させる(山の高さ)。 1つ目は温度を上げることで実現し、2つ目は触媒を追加することで実現します。これにより、遷移状態の分子の配向と収束が促進されます。ただし、温度が上昇すると、一度に多数の異なる化学プロセスがアクティブになり、原則として、特定の化学結合が破壊されて形成されるため、特定のプロセスが1つだけ必要になります。

化学反応のために活性化できるのは試薬分子の特定の結合のみであると理論的に予測されていました。これは、さまざまな化学結合がさまざまな周波数で振動するために可能であり、特定の周波数を選択することで、目的の結合を「振る」ことができます。ただし、これまでのところ、この予測は、気体媒体での単一分子結合開裂反応についてのみ検証されています。

ベルリン自由大学のCarstenHeineが率いる化学者は、このような選択的加速が液体中の分子間反応でも可能であることを初めて示しました。科学者たちは、イソシアネートとアルコールからのウレタンの形成の反応を基礎として採用しました。光子エネルギーがアルコール分子のO-H結合の振動エネルギーと一致するフェムト秒レーザーの助けを借りて、化学者はウレタン形成反応を約24パーセントスピードアップすることができました。研究者たちは、加速の原因は溶液の加熱ではあり得なかったことに個別に注意します-温度変化は記録されませんでした。

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溶液にIRレーザーのパルスを照射して得られたポリウレタン製の正方形

同じレーザーを使用して、科学者は液体中でのポリウレタンの合成の例を使用してフォトリソグラフィー手順を実証することができました。化学者は、焦点を移動してレーザースポットの直径を変更するだけで、辺の幅が変化するポリウレタンの正方形を作成しました。正方形の壁のポリウレタンの濃度は、残りの溶液の20倍でした。

「私たちの方法では、望ましい反応または望ましくない反応を加速および減速することができます」とCarstenHeine氏は言います。 「これにより、抗生物質合成など、熱で加速される化学プロセスを最適化するための新しい戦略が開かれます。これにより、コストが削減されます。」

以前、化学反応の加速の別の珍しい例について報告しました-静電界を使用します。化学者は、走査型トンネル顕微鏡の針を使用して付加環化反応を加速することができました。しかし、これには1メートルあたり約750メガボルトという巨大な電界強度が必要でした。

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