Учёные разработали модель для точного прогнозирования химических реакций под действием силы

Цаньюй Цюй (слева) и Роб Карпик (справа) работают с атомно-силовым микроскопом, измеряя механохимические реакции в реальном времени. Автор: Penn Engineering

Когда мы представляем химическую реакцию, чаще всего воображение рисует пузырящиеся жидкости в колбе или нагрев смеси до преобразования. Однако некоторые из самых важных реакций в природе и промышленности не требуют ни тепла, ни растворителей — вместо этого им нужна сила.

Механохимия изучает реакции, запускаемые физическим давлением или механическим воздействием. Представьте молекулы, сталкивающиеся, как машинки на аттракционе, или встряхиваемые в гигантском шейкере. Такие процессы ежедневно происходят в двигателях автомобилей, промышленном оборудовании и экспериментальных «зелёных» реакторах.

До недавнего времени учёные не могли точно объяснить, как именно работают эти реакции, вызванные силой, и как их можно оптимизировать. В лаборатории Роберта Карпика, профессора машиностроения и прикладной механики в Университете Пенсильвании, эту проблему исследовали в рамках Центра механического контроля химии — инновационного центра, цель которого — изменить понимание и применение механохимии.

Теперь Карпик вместе с постдоком Цаньюй Цюй и бывшим аспирантом Лу Фан разработали теоретическую модель, которая решает проблему точного описания связи между механическим напряжением и химическими реакциями.

Их исследование, опубликованное в Physical Review B, заполняет пробел в понимании сил, возникающих при сжатии молекул между двумя поверхностями. Это открытие упрощает прогнозирование механохимических реакций, что перспективно для экологичного производства пластиков, металлических соединений, смазочных материалов и многого другого.

Проблемы предыдущих моделей

Учёные давно знали, что механическое напряжение может «активировать» химические реакции, снижая энергию, необходимую для их запуска. Однако попытки измерить ключевой параметр — «активационный объём», который показывает, как приложенное напряжение влияет на энергию реакции, — давали крайне противоречивые результаты.

«Разные исследования показывали активационные объёмы, отличающиеся в 100 раз», — объясняет Цюй.

«Это затрудняло интерпретацию таких реакций. Мы не могли достоверно определить ни величину, ни физический смысл активационного объёма в различных сценариях.»

Без точного метода измерения активационного объёма инженеры не могли уверенно прогнозировать механохимические реакции, что тормозило разработку лучших смазочных материалов, экологичных промышленных процессов и эффективных методов синтеза материалов.

Два шара — одно открытие

Чтобы разобраться в проблеме, команда изучила, как измерять такие реакции в лаборатории на самом простом уровне. Они исследовали процессы в точке контакта двух сфер — представьте шарики подшипников, сжатые вместе, но в микроскопическом масштабе.

«Однако напряжения в точках контакта не распределены равномерно», — говорит Карпик. «Когда две сферы соприкасаются, напряжение неодинаково по всей площади контакта. Это искажает расчёты и стало нашей первой задачей.»

Предыдущие модели делали допущения о напряжениях и размере контактной площади, что приводило к ошибкам, делающим их бесполезными для оптимизации.

Команда Карпика разработала новую модель, учитывающую два ключевых фактора: неравномерное распределение напряжений и изменение площади контакта при увеличении силы сжатия. Это позволило создать модель, согласующуюся с реальными данными и устраняющую давние расхождения между экспериментами в микро- и наномасштабах.

Экспериментальные данные команды показывают, как под действием напряжения формируется защитная плёнка (трибофильм) на поверхности оксида железа — важная механохимическая реакция в автомобильной промышленности. Классическая модель (чёрная линия) не объясняет данные согласованно, тогда как новая модель (красная линия) даёт точный и единый активационный объём.

От двигателей до «зелёной» химии

Модель имеет широкие применения. В двигателях автомобилей специальные присадки в смазочных материалах под действием давления образуют защитные плёнки, снижающие износ. Однако их разработка до сих пор требовала множества проб и ошибок.

«Механохимия помогает балансировать производительность и эффективность», — говорит Фан. «Если смазка слишком густая, она тратит энергию, если слишком жидкая — не защищает двигатель. С лучшими данными мы можем подбирать присадки, которые реагируют ровно настолько, насколько нужно.»

Кроме того, модель открывает возможности для экологичного производства. Механохимический синтез позволяет создавать соединения без нагрева и токсичных растворителей, но промышленность медленно внедряет его из-за неопределённости в управлении реакциями. Новая модель меняет ситуацию.

«Теперь мы можем точнее настраивать активационный объём», — говорит Карпик. «Вместо того чтобы просто встряхивать “коктейль” и надеяться на нужный результат, мы сможем проектировать реакции с недостижимой ранее точностью.»

Подробнее: Cangyu Qu et al, Contact mechanics correction of activation volume in mechanochemistry, Physical Review B (2025). DOI: 10.1103/PhysRevB.111.195405

Источник: University of Pennsylvania