Materiais Avançados

Mecanoquímica de precisão faz reação simplesmente apertando reagentes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/03/2018

Os reagentes são pressionados entre duas faces de diamante, atingindo pressões altíssimas. [Imagem: Peter Allen/UC-Santa Barbara]

Mecanoquímica de precisão

A mecanoquímica, uma nova ferramenta para a química verde, não precisa ser feita somente em grande escala dentro de moinhos barulhentos.

Ela também pode ser feita "nanotecnologicamente", como uma química de precisão, lidando com quantidades-traço de materiais e mesmo com moléculas.

Foi o que demonstraram Hao Yan e seus colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, que produziram reações químicas usando "bigornas moleculares" de diamante, o mesmo tipo de aparato usado para simular as condições do núcleo dos planetas e fabricar materiais superduros.

Reação química induzida mecanicamente

As moléculas que se deseja reagir são colocadas entre as faces de dois diamantes cuidadosamente polidos da bigorna, que então são submetidos a pressões altíssimas. A força mecânica faz com que as moléculas sejam apertadas e giradas até que as ligações químicas se quebrem e os átomos troquem elétrons.

Esta é a primeira vez que as reações químicas são produzidas unicamente por pressão mecânica, garante a equipe.

E uma reação induzida mecanicamente tem potencial para gerar produtos inteiramente diferentes do que quando os mesmos ingredientes são manipulados por calor, luz ou corrente elétrica, além de poder ser seletiva.

"Nós podemos usar bigornas moleculares para desencadear mudanças em um ponto específico de uma molécula, protegendo as áreas que não queremos mudar, e isso cria muitas possibilidades novas," disse Yan.

O processo também é mais eficiente em termos de energia porque não precisa de calor ou solventes.

Bigorna de diamante desmontada. [Imagem: Dawn Harmer/SLAC]

Pressão via parafuso

A bigorna de diamante tem o tamanho de uma xícara de café e pode submeter os reagentes a pressões de 500 gigapascals, mais ou menos metade da pressão existente no núcleo da Terra.

E não é preciso usar pistões hidráulicos gigantescos para isso: basta ir apertando alguns parafusos.

"Pressão é força por unidade de área, e estamos comprimindo uma pequena quantidade de amostra entre as pontas de dois pequenos diamantes, cada um deles pesando apenas cerca de um quarto de quilate [0,05 grama]. Então você só precisa de uma quantidade mínima de força para alcançar altas pressões," contou a professora Wendy Mao.

Lado prático

Nas primeiras demonstrações da técnica foram usados aglomerados de enxofre e cobre - partículas minúsculas constituídas por oito átomos - ligados a outra molécula rígida chamada carborano.

Quando a pressão ficou alta o suficiente, as ligações atômicas no aglomerado se quebraram. Mais do que isso, os elétrons passaram dos átomos de enxofre para os átomos de cobre, formando cristais puros de cobre, algo que não teria ocorrido em reações convencionais induzidas pelo calor.

"Estamos interessados agora em ver como a pressão pode afetar uma ampla gama de materiais tecnologicamente interessantes, de supercondutores, que transmitem eletricidade sem perdas, até perovskitas, que têm muito potencial para células solares de próxima geração. Uma vez que entendamos o que é possível de um ponto de vista científico muito básico, poderemos pensar sobre o lado mais prático," disse Mao.

Bibliografia:

Sterically controlled mechanochemistry under hydrostatic pressure
Hao Yan, Fan Yang, Ding Pan, Yu Lin, J. Nathan Hohman, Diego Solis-Ibarra, Fei Hua Li, Jeremy E. P. Dahl, Robert M. K. Carlson, Boryslav A. Tkachenko, Andrey A. Fokin, Peter R. Schreiner, Giulia Galli, Wendy L. Mao, Zhi-Xun Shen, Nicholas A. Melosh
Nature
Vol.: volume 554, pages 505-510
DOI: 10.1038/nature25765