Вчені створили блискавку з клейкої стрічки для хімічних реакцій

У лабораторії Стенфордського університету рулон звичайної клейкої стрічки обертається під моторизованим роликом. На перший погляд це звичайний канцелярський матеріал, але для групи хіміків ця скромна стрічка несе справжню блискавку.

Відриваючи клейку стрічку на певній швидкості, дослідники з Китаю та Сполучених Штатів згенерували електричні поля, достатньо інтенсивні для запуску хімічних реакцій. Результати, нещодавно опубліковані командою, до якої входить фізичний хімік Річард Заре зі Стенфордського університету, свідчать про те, що це явище, яке влучно назвали мікроблискавкою, одного дня може допомогти стимулювати екологічно чисті хімічні процеси.

«Завжди вважалося, що потрібно використовувати свічку запалювання від автомобіля на паливі чи щось подібне», — розповів Заре виданню Chemistry World, натякаючи на попередні електрохімічні замінники енергоємних традиційних процесів хімічного синтезу.

Цей свіжий погляд на явище, відоме десятиліттями, може допомогти переосмислити те, як ми живимо хімію — від лабораторного столу до промислового синтезу.

Ідея того, що відривання стрічки може виробляти світло, не нова. Вчені вперше помітили це у 1939 році. А у 2008 році фізик Сет Паттерман та колеги з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі виявили, що швидке розмотування клейкої стрічки може випромінювати рентгенівські промені.

Це світіння походить від електричних полів. Коли стрічка відривається, її липка сторона набуває позитивного заряду. Якщо вона відокремлюється швидко, швидше за 0,3 метра на секунду, поле посилюється, потенційно досягаючи мільярда вольт на метр. Це достатньо сильно, щоб розщепити молекули повітря, вивільнивши імпульс енергії, як крихітна блискавка.

Заре та його співробітники, Сіньсін Чжан з Нанкайського університету та Тінтін Чжен зі Східнокитайського педагогічного університету, використовували контрольований ролик для відривання стрічки з точними швидкостями. Вони застосували вібраційну спектроскопію Штарка для вимірювання поля та мас-спектрометрію для аналізу хімічних результатів.

Метою було не просто підтвердити іскру, а побачити, чи може вона виконувати роботу.

Їхнім тестовим випадком була реакція Меншуткіна, класична органічна трансформація, де піридин реагує з метилйодидом. Це основний елемент у розробці ліків та промисловій хімії. І, що дивовижно, це спрацювало.

Відривання стрічки створило достатній поштовх, щоб подолати енергетичний бар'єр реакції. Ніякої свічки запалювання, ніякого двигуна внутрішнього згоряння — лише стрічка та рух.

Щоб було зрозуміло, Заре не пропонує замінити промислові реактори на диспенсери для стрічки. Натомість мета полягає в тому, щоб показати, що міжфазні електричні розряди — іскри, що утворюються на межах, таких як повітря і тверде тіло, або вода і газ — можуть служити джерелом енергії активації.

Ця ідея має ширший потенціал. Заре розповів Chemistry World про інший недавній експеримент, очолюваний Іфан Менгом з Нанкайського університету, який включав мікрокраплі води, розпилені через пари алкінів. Команда спостерігала утворення карбонових кислот, що свідчить про те, що мікроблискавка на межах крапель створила озон, який у свою чергу розщепив міцні потрійні зв'язки вуглець-вуглець.

Той факт, що така хімія відбувалася в звичайних умовах без високої температури, тиску чи розчинників, натякає на нові можливості для сталого синтезу.

Заре підозрює, що цей процес — мікроблискавка на межах рідини та газу — може бути дуже схожим на хімію з ранньої історії Землі.

«Моє власне припущення полягає в тому, що це мало історичні цілі в можливому створенні будівельних блоків життя», — сказав він.

Це натяк на теорії про те, що природні джерела енергії, такі як блискавка чи вулканічне тепло, допомогли стимулювати утворення амінокислот та інших ключових молекул у пребіотичному світі. Заре навіть проводить зв'язки з моторошними мерехтіннями блукаючих вогників над болотами, можливо, спричиненими електричними розрядами від гниючої речовини та вологого повітря.

У такому світлі те, що виглядає як трюк статичної електрики, може бути поглядом на походження життя та маяком для майбутніх технологій.