此图显示了附属在“分子砧”（红色和蓝色）上的软分子（黄色和粉红色）的复合物，这些复合物被挤压在金刚石对顶砧之间。由于分子砧所受到的力是不均匀的，所以会把巨大的压强传递给比较“松软”的分子，使后者的化学键断裂并触发化学反应。 图片：Peter Allen/加州大学圣芭芭拉分校。

科学家们已经能够将金刚石和其他细小的超硬粒子变成“分子砧”，它们可以挤压和扭曲分子，直到化学键断裂并且发生电子转移。这是第一个由机械压力引起的化学反应，研究人员表示，该技术提供了一种更绿色、高效以及精确的方式，从而能够在分子水平上调控所发生的化学反应。

该研究是由美国能源部（DOE）SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家们领导的，并得到了英国《Nature》杂志的发表。

“之前的机械技术往往就是给分子一个拉力，直到它们断裂开来，而来自分子砧的压力则既可以破坏化学键，又可以使得电子从一个原子转移到另一个原子中去，从而引起新的化学反应，”Hao Yan说，她是斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）的研究助理，也是该论文的主要作者之一。

他说：“我们可以在使用分子砧来触发分子中某个特定点变化的同时，也能保护我们不想改变的区域，这就创造了许多新的可能性。”

该研究的共同作者、SIMES研究员兼SLAC和斯坦福大学的副教授Nicholas Melosh表示，化学反应的本质是化学键的形成和断裂，通常需要热、光或电触发，用纯机械手段来触发是个较新的研究领域，因此可能也会产生完全不同的产物。该技术更加的节能，并且因为它不需要加热或溶剂，所以它比其它技术也更加的环保。

实验中，研究人员让两块金刚石相互靠近，使其对放在中间的样本产生高达500GPa的压强，约是地心压强的1.5倍。它们被用来探索地球内部深层的矿物质，以及在压力下材料是如何产生不寻常特性的等等。

负责实验高压部分的SIMES助理研究员Yu Lin解释说，由于钻石是透明的，所以光线可以穿过它们到达样品。

她说：“我们可以使用大量的实验技术来研究样品被压缩时的反应。例如，当我们将X射线束照射到样品中时，会发生散射或吸收现象，这些光线再通过金刚石返回到探测器中。通过分析来自该光线的信号会得知样品是否发生了反应。”

Melosh说：“当你挤压一个样品时，通常它会发生均匀变形，原子之间的所有键都会收缩相同的数量。但情况并非总是如此，如果是压缩一种同时含有硬质和软质组分的材料（如嵌入环氧树脂的碳纤维），软质环氧树脂中的粘结变形将比碳纤维中的变形更大。”

Melosh和他的同事们想知道是否可以利用相同的原理，在单个分子中弯曲或破坏特定的键呢。

因此，Melosh的团队用金刚石进行了一系列实验，金刚石是很小的一个单位，肉眼是无法看到的，它的重量不到十亿分之一的十亿分之一克拉。Melosh参与指导了一个SLAC-斯坦福项目，该项目是将金刚石从石油中分离出来，并寻找方法将其投入使用。在最近的一项研究中，他的团队将金刚石与更小、更柔软的分子连接在一起，使其可以组装成最薄的电线，并带有硫和铜的导电核心。

他们使用铜硫团簇（由八个原子组成的微小颗粒），附着在另一个叫做碳硼烷的刚性分子上，随后再将这种组合放入钻石砧座中，并且加大了压力。

当压力足够高时，纳米线簇中的原子键便会断裂。但那还不是全部，研究人员说，电子也会从硫原子转移到铜原子上，形成纯铜晶体，而这在传统的热驱动反应过程中是不会发生的。他们还发现了这种不可逆反应的临界点，在该压力点之下，当压力被移除时，纳米线簇便会回到其原始状态。

科学家们能够使用多种技术观察这些变化，包括斯坦福大学的电子显微镜和美国两个能源部科学办公室的X射线测试仪，以及劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源和阿贡国家实验室的高级光子源。

“这很令人兴奋，它开辟了一个全新的领域，”Mao说，“从我们的角度来看，我们有兴趣研究压力是如何影响材料性能的。该技术对于下一代太阳能电池的研究来说是具有非常大潜力的。”

研究人员说，这项成果有助于研究压强对材料性质的影响，进而开发新型材料。如果能用机械压缩的方式简化一些重要的化学反应，也将为化工合成开辟新路，如降低合成氮肥的成本等。

原文来自materialstoday.原文题目：Molecular anvils put squeeze on new materials，由材料科技在线团队翻译整理