Forskere løser til slutt mysteriet bak et 100 år gammelt kjemieksperiment

Forskere kan endelig forstå den mystiske overgangen bak et hundre år gammelt kjemi-eksperiment. Detaljene i denne transformasjonen, der tilsetning av elektroner til en knallblå ammoniakkløsning gjør den til en glødende, metallisk bronse, har forsket lenge.

Den nye studien avslører de subtile detaljene i denne endringen, og viser at denne transformasjonen er gradvis, snarere enn plutselig. "Det vi har gjort med suksess, er at vi ganske mye har forstått hvordan disse løsningene oppfører seg i et bredt spekter av konsentrasjoner ved bruk av en mikrojet-teknikk," sa studiemedforfatter Ryan McMullen, en doktorgradsstudent i kjemi ved University of South California . Denne teknikken, som innebærer å skyte hår-tynne strømmer av løsningen gjennom et vakuum, har ikke blitt brukt på den glødende væsken før.

Og funnet kan åpne for nye typer reaksjoner i organisk kjemi i fremtiden, fortalte McMullen .

I slekt: 8 kjemiske elementer du aldri har hørt om

Hva er et metall?

Metaller er en variert gruppe. Noen, som litium, er lette nok til å flyte, mens andre, som bly eller osmium, er ekstremt tette. Noen krever utrolig høye temperaturer for å smelte, mens andre smelter lett (kvikksølv smelter for eksempel på minus 38,3 grader celsius, eller minus 37,9 grader Fahrenheit). Til syvende og sist, det som metaller har til felles, er deres evne til å lede elektrisitet på absolutt null, det punktet der molekylær bevegelse fra varme hovedsakelig stopper.

Men hvordan forvandles noen ikke-metaller til metaller? I en ny studie svarte forskere det spørsmålet ved å tilsette metaller til flytende ammoniakk.

Først kondenserte forskerne ammoniakk, som er en gass ved romtemperatur, til en væske ved å avkjøle den til minus 27,4 F (minus 33 C). De tilsatte da enten natrium, litium eller kalium, som alle er alkalimetaller. (Snarere kjent reagerer disse metallene eksplosivt når de er nedsenket i vann.) Eksperimentene ble utført i samarbeid med forskere fra det tsjekkiske vitenskapsakademiet og Fritz-Haber-instituttet til Max Planck Society i Berlin, samt forskere i Japan og Frankrike.

I slekt: Topp 10 største eksplosjoner noensinne

Resultatet var en forventet reaksjon: Den flytende ammoniakk trakk elektroner fra metallet. Disse elektronene ble deretter fanget mellom ammoniakkmolekylene, og skapte de såkalte solvatiserte elektronene forskerne håpet å studere. Ved lave konsentrasjoner var resultatet en blå, ikke-metallisk væske. Mens de solvatiserte, eller fangede, elektronene som ble stablet opp, gikk løsningen over til blank bronse.

Neste utfordring var å undersøke hvordan solvatiserte elektronene oppførte seg i forskjellige konsentrasjoner. Dette innebar å skyte en mikrojet av løsningen - omtrent bredden av et menneskehår - gjennom en stråle av synchrotron røntgenstråler, som er høyeenergiske røntgenstråler. Røntgenstrålene begeistret de solvatiserte elektronene, og fikk dem til å hoppe ut av det flytende buret av ammoniakkmolekyler. Forskerne kunne da måle hvor mye energi det tok å frigjøre de solvatiserte elektronene.

Forskerne fant ut at jo større konsentrasjonen av solvatiserte elektroner, jo mer samsvarte mønsteret med frigjøring av energi med det man ser i et metall. Her er hva det betyr: Hvis du tegner hvor mye energi som kreves for å frigjøre elektroner fra deres flytende ammoniakkbur, har metaller vanligvis det som kalles en "Fermi-kant", en veldig brå overgang, sa McMullen. Ved lavere konsentrasjoner av solvatiserte elektroner ser denne energigivningsgrafen mer ut som en avrundet ås. Bare ved høyere elektronkonsentrasjoner dukket denne Fermi-kanten opp. Kanten reflekterer hvor mye energielektroner som har en gitt temperatur, la McMullen til.

"Når du øker konsentrasjonen til metallområdet, ser du, dette fantastiske mønsteret dukker opp som er veldig, veldig karakteristisk for et metall," sa McMullen.

Resultatene var interessante fordi de viste at den metalllignende væsken skapt ved å kombinere alkalimetaller og ammoniakk faktisk er et metall på et grunnleggende fysisk nivå, sa han.

"Det er et ekte metall, det er ikke noe som bare ser ut som et," sa McMullen.

Solvatiserte elektroner med lavere konsentrasjon brukes i en reaksjonstype kalt en bjørkereaksjon, som tilfører elektroner til molekylstrukturer kalt aromatiske ringer. Denne typen reaksjon ble brukt i produksjonen av de første p-piller på oral alder på 1950-tallet, sa McMullen. Ved å forstå hvordan solvatiserte elektroner fungerer i høye konsentrasjoner, kan forskere potensielt finne nye typer kjemiske reaksjoner, sa han. For eksempel kan de begeistre de solvatiserte elektronene med lysstråler for å få dem til å oppføre seg på nye måter.

"Hvis du kiler elektronene litt slik at de er mer energisk spente, kan du begynne å se på noen sprø reaksjoner som ellers aldri ville skje," sa McMullen.

Forskerne rapporterte om funnene sine 5. juni i tidsskriftet Science.