Lorsqu'on vous a demandé de penser à une réaction chimique, vous pourriez imaginer des liquides bouillonnants dans un bécher, ou peut-être appliquer de la chaleur sur un mélange jusqu'à ce que quelque chose se transforme. Mais certaines des réactions les plus importantes dans la nature et l'industrie n'ont pas besoin de chaleur ou de solvants. Au lieu de cela, ils ont besoin de force.
La mécanochimie est l'endroit où la pression physique ou le stress déclenche des réactions chimiques. Imaginez que les molécules soient percutées ensemble comme des tamponneurs, ou secoué dans un shaker géant à cocktail. Cette tremblement et collision se produisent tous les jours à l'intérieur des moteurs de voiture, de l'équipement de fabrication et des réacteurs verts expérimentaux.
Mais jusqu'à récemment, les scientifiques ont eu du mal à expliquer exactement comment ces réactions alimentées par la force se produisent ou comment les rendre mieux. À Penn Engineering, le laboratoire de Robert Carpick, professeur John Henry Towne en génie mécanique et en mécanique appliquée (MEAM), examinait ce numéro en tant que membres du Centre pour le contrôle mécanique de la chimie, un centre chimique d'innovation qui vise à transformer la compréhension et l'adoption de la mécanochimie.
Maintenant, Carpick, ainsi que Cangyu Qu, chercheur postdoctoral, et Lu Fang, un ancien doctorat. L'étudiant dans le laboratoire de Carpick a développé un modèle théorique qui surmonte les défis antérieurs pour décrire avec précision la relation entre le stress mécanique et les réactions chimiques.
Leur étude, publiée dans Revue physique Bcomble l'écart pour décrire les forces qui se produisent lorsque les molécules sont pressées entre deux surfaces. Ce résultat permet de faciliter la prévision des réactions mécanochimiques, qui sont prometteuses pour la fabrication verte des plastiques, des composés métalliques, des lubrifiants et plus encore.
Limitations précédentes de la mécanochimie
Les scientifiques savent depuis longtemps que le stress mécanique peut «activer» les réactions chimiques, ce qui signifie qu'elle peut réduire l'énergie nécessaire pour faire réagir les molécules. Mais les efforts antérieurs pour mesurer une propriété clé appelée «volume d'activation», qui nous indique à quel point le stress appliqué modifie la réaction pour une réaction, a produit des résultats extrêmement incohérents.
« Différentes études montraient des volumes d'activation qui différaient de 100 fois », explique Qu.
« Cela rend difficile pour les chercheurs qui étudient la mécanochimie pour interpréter ce type de réactions. Nous ne pouvions pas déterminer de manière fiable ni l'ampleur ou la signification physique du volume d'activation dans différents scénarios. »
Sans un moyen précis de mesurer le volume d'activation, les ingénieurs ne pouvaient pas prédire en toute confiance les réactions mécanochimiques, entravant la conception de meilleurs lubrifiants, de processus industriels plus propres ou de techniques de synthèse de matériaux plus efficaces.
La mécanochimie est prometteuse pour la chimie plus verte – émoussant le besoin de chaleur élevée ou de solvants polluants, mais il ne peut pas être une option viable pour une synthèse à grande échelle de produits chimiques ou la fabrication de matériaux sans de meilleurs outils pour prédire les résultats.
Deux sphères, une percée
Pour démêler la confusion, l'équipe a examiné de près comment mesurer ces réactions en laboratoire et à l'échelle la plus simple possible. Ils ont examiné ce qui se passait au point de contact entre deux sphères: pensez aux roulements à billes poussés ensemble, mais beaucoup plus petits.
« Mais les contraintes des points de contact ne sont pas parfaitement uniformes », explique Carpick. « Lorsque deux sphères se touchent, le stress n'est pas le même dans toute la zone de contact. Cela jette les mathématiques et cette énigme est devenue notre premier défi à surmonter. »
Les modèles précédents ont fait des hypothèses sur les contraintes et la taille du contact, ce qui a conduit à des inexactitudes qui pourraient être si importantes qu'elles seraient inutiles dans toute étude d'optimisation.
L'équipe de Carpick a développé un nouveau modèle qui corrige deux problèmes clés: premièrement, la contrainte à travers le contact n'est pas uniforme, et deuxièmement, alors que vous appuyez durement dans les sphères, le domaine des changements de contact, qui affecte le nombre de molécules réagissant réellement.
En incorporant ces deux facteurs, les chercheurs ont produit un modèle qui s'aligne parfaitement avec les données du monde réel, résolvant des écarts de longue date entre les expériences de micro-échelle et de nano-échelle.
Un système plus simple, un avenir plus vert
Pour valider leur modèle, l'équipe a étudié les réactions dans un système appelé contact hertzien, une façon classique de décrire comment les objets ronds se touchent. Plutôt que de modéliser directement les équipements industriels complexes, ils se sont concentrés sur une configuration plus simple: une pointe sphérique pressant sur une surface plane.
C'est un bon remplaçant pour une collision à la fois à l'intérieur de quelque chose comme un moulin à boule, un réacteur mécanique du monde réel qui fonctionne un peu comme un shaker de cocktail géant pour les molécules.
Ce type de contact de sphère sur la couche représente également le bloc de construction de base de presque toutes les surfaces rugueuses pratiques, où le contact se produit à de nombreux petits points individuels qui ressemblent étroitement à cette géométrie.
« Ce que nous avons trouvé », dit Qu, « c'est qu'en tenant compte à la fois de la distribution des contraintes et de la zone de contact, nous pourrions enfin unifier les données qui avaient l'air totalement dispersées. Toutes ces étranges valeurs de volume d'activation sont maintenant d'accord et avaient un sens. »
Des moteurs à l'efficacité énergétique
Les implications de ce modèle vont bien au-delà du banc de laboratoire.
Dans une direction, il aide les ingénieurs à concevoir de meilleurs lubrifiants pour les moteurs, en particulier dans les véhicules à gaz et électriques. À l'intérieur d'un moteur, des additifs spéciaux dans les lubrifiants qui protègent les pièces mobiles réagissent sous contrainte pour former des films de protection qui réduisent l'usure. Mais jusqu'à présent, la conception de ces additifs a impliqué une quantité importante d'essais et d'erreurs.
« La mécanochimie peut nous aider à équilibrer les performances et l'efficacité », explique Fang. « Si un lubrifiant est trop épais, il gaspille l'énergie. S'il est trop mince, il ne protège pas le moteur ou les engrenages. Avec de meilleures données, nous pouvons choisir les bons additifs qui réagissent juste assez sous pression pour faire les deux. »
Dans une autre direction, le modèle débloque de nouvelles possibilités dans la fabrication verte. La synthèse mécanochimique peut tout créer, des composés inorganiques et organiques aux polymères, aux nanoparticules, aux matériaux et aux produits pharmaceutiques liés à l'énergie, souvent sans avoir besoin de chaleur ou de solvants organiques – deux sources majeures de consommation d'énergie et de déchets dans la chimie traditionnelle. Mais l'adoption de l'industrie a été lente en raison de l'incertitude sur la façon de contrôler les réactions.
Ce nouveau modèle aide à changer cela.
« Avec une compréhension plus complète, nous pouvons régler le volume d'activation », explique Carpick. « Nous voulons pouvoir choisir ou même concevoir des molécules pour des conditions mécaniques données qui nous donnent les réactions que nous voulons d'une manière propre, efficace et précise. Ce modèle nous aide à nous rapprocher de ce grand défi. »
Outils mécanochimiques futurs
Alors que le modèle se concentre sur des systèmes simplifiés, l'équipe la considère comme un bloc de construction pour des applications pratiques plus complexes. Les versions futures pourraient simuler des réacteurs réels, modéliser différentes surfaces de matériaux ou guider le développement de nouvelles classes de produits ou de matériaux chimiques entièrement.
« Nous gagnons enfin une fenêtre claire sur la principale manière que le stress mécanique entraîne la chimie », explique Carpick. « Et cela signifiera que nous pouvons arrêter de secouer le cocktail et d'espérer les produits que nous voulons, et à la place, nous pouvons l'ingénierie avec une précision auparavant incompatible. »
