来源：DeepTech深科技

纽约市立大学博士研究生耶尔詹· 兹霍尔达索夫（Yerzhan Zholdassov）为论文第一作者，纽约市立大学亚当·B·布伦瑞克（Adam B. Braunschweig）教授为论文通讯作者。

论文第二作者，宾夕法尼亚大学博士生袁李应邀介绍了该研究。袁李毕业于清华大学工程力学系，现就读于宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系，导师为罗伯特·W·卡皮克（Robert W. Carpick）教授。其主要研究方向为纳米尺度摩擦，包括二维材料的摩擦学性质、石墨烯自动剪纸等。

图丨袁李（来源：袁李）

将化学反应速率平均提高 14 倍

力等机械因素可以加速固态环境下的化学反应，例如通过球磨机的摩擦、挤压、碰撞等作用加速反应进行。但是，该现象背后的机理尚不明确，特别是缺乏反应速率、反应条件、反应物特性之间关系的系统性研究。

图丨蒽单分子层上的力活化狄尔斯-阿尔德反应（来源：Science）

为回答这一问题，研究团队选择狄尔斯-阿尔德反应作为研究对象，并使用了四种不同的亲二烯体和蒽作为二烯组分。狄尔斯-阿尔德反应为一步反应，反应过程无中间体，因而易于确定反应速率。

该团队设计了一个实验系统，通过浸有亲二烯体的压头阵列（30*30）与蒽基底接触实现化学反应，并采用荧光显微镜检测反应产物，从而在较短时间内高效获得大量数据。通过控制压头位移可以改变反应界面的压力，进而能够研究力对反应速率的影响。

研究人员通过实验发现，在仅仅几个大气压的压力水平下，4 种反应物的反应速率平均可提高至原来的十余倍。

图丨不同力和时间下蒽单分子层上狄尔斯-阿尔德反应速率（来源：Science）

反应界面的真实压力是这一研究中的关键因素。为解决这一问题，研究团队一方面通过实验手段测定了平均压力，另一方面采用数值模拟获得界面压力的分布情况。

模拟结果表明，反应物界面之间的压力分布虽然不完全均匀，但变化并不显著。随后，该团队通过原子力显微镜测量了蒽基底的表面形貌，发现其表面非常平坦，粗糙度在纳米级别。

“这些结果有助于说明反应速率的提升并不是局部压力峰值造成的，而确实是在较小的压力下发生的。”袁李表示。

开启有机化学反应研究新方向

在论文的投稿过程中，一个具有挑战性的问题是，如何通过传统的实验手段，对比验证新方法的结论。

该团队讨论之后，认为经典的实验手段（如球磨机/行星磨反应器）难以满足相关的实验要求，比如大量影响因素的耦合，无法施加单个方向的载荷等。

在该研究中，研究人员把力的因素单独提出来，进而排除了其他因素的干扰，单独研究压力或者某方向的压力对化学反应速率的影响。

袁李表示，这其实也正是团队的创新点所在，新的实验手段排除了力之外其他因素的干扰，并可以施加单轴应力，从而在仅仅几个大气压的压力水平下，就实现了化学反应速率的大幅提升，这是传统方法无法做到的。

为什么这么小的压力就可以加速化学反应呢？

袁李解释道：“不同于大气压，也就是各个方向均匀的气压，我们的实验中施加的是特定方向的压力，这可能使得反应物分子发生了畸变，从而提升了反应活性。这一观点得到了密度泛函分析（Density function theory，DFT）计算结果的支持。”

图丨在单轴应力作用下分子变形提高化学反应活性（来源：Science）

该论文发表后受到了领域内的广泛关注。美国加州大学洛杉矶分校的保罗·魏斯（Paul Weiss）教授在 Science 发表的评论文章中指出：“这一研究启发人们思考还有哪些类型的反应可以用同样的方式加速。此外，通过选择性地弯曲或扭曲化学键以激活反应物或反应的中间体，将有望形成新的反应路径，从而为设计人员提供全新的合成策略 [3]。”

该研究揭示了力对于化学反应的加速机理，并证明了在施加单轴应力的条件下，分子的选择性畸变大大提高了反应活性。“固态环境下的这一反应机理不同于溶液，这为有机合成设计提供了新思路。”袁李说。

未来，研究人员可以将很多传统的化学反应放在固态环境下进行尝试，采用类似于该研究的方式进行实验，进一步确认相关反应速率，并有望降低化学品的生产成本。

参考资料：

1.Zholdassov, Y. S., et al. Acceleration of Diels-Alder reactions by mechanical distortion. Science 380, 6649，1053-1058(2023). https://doi.org/10.1126/science.adf5273

2.https://cen.acs.org/synthesis/reaction-mechanisms/molecules-just-need-push-right-direction/101/web/2023/06

3.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi3388

排版：刘雅坤