Mecanoquímica

La mecanoquímica (o química mecánica ) es la iniciación de reacciones químicas por fenómenos mecánicos. La mecanoquímica representa, por tanto, una cuarta forma de provocar reacciones químicas, que complementa las reacciones térmicas en fluidos, la fotoquímica y la electroquímica . Convencionalmente, la mecanoquímica se centra en las transformaciones de enlaces covalentes por fuerza mecánica. El tema no cubre muchos fenómenos: transiciones de fase , dinámica de biomoléculas (acoplamiento, plegamiento) y sonoquímica . ^[1]

La mecanoquímica no es lo mismo que la mecanosíntesis , que se refiere específicamente a la construcción controlada por máquinas de productos moleculares complejos. ^{[2] [3]}

En los entornos naturales, las reacciones mecanoquímicas son inducidas frecuentemente por procesos físicos como terremotos, ^[4] movimiento de glaciares ^[5] o acción hidráulica de ríos u olas. En entornos extremos como lagos subglaciales, el hidrógeno generado por reacciones mecanoquímicas que involucran rocas de silicato trituradas y agua puede sustentar comunidades microbianas metanogénicas. Y la mecanoquímica puede haber generado oxígeno en la Tierra antigua mediante la división del agua en superficies minerales fracturadas a altas temperaturas, lo que podría influir en el origen de la vida o la evolución temprana. ^[6]

El proyecto mecanoquímico original consistía en hacer fuego frotando trozos de madera entre sí, lo que creaba fricción y, por lo tanto, calor, lo que desencadenaba la combustión a temperatura elevada. Otro método implica el uso de pedernal y acero , durante el cual una chispa (una pequeña partícula de metal pirofórico ) arde espontáneamente en el aire, provocando el fuego instantáneamente.

La mecanoquímica industrial comenzó con la molienda de dos reactivos sólidos: el sulfuro de mercurio (el mineral cinabrio ) y el cobre metálico, que reaccionan para producir mercurio y sulfuro de cobre: ^​​[7]

HgS + 2Cu → Hg + _Cu2S

Un número especial de Chemical Society Review se dedicó a la mecanoquímica. ^[8]

Los científicos reconocieron que las reacciones mecanoquímicas ocurren en entornos naturales debido a varios procesos, y los productos de reacción tienen el potencial de influir en las comunidades microbianas en regiones tectónicamente activas. ^[4] El campo ha ganado cada vez más atención recientemente ya que la mecanoquímica tiene el potencial de generar diversas moléculas capaces de sustentar a los microbios extremófilos, ^[5] influir en la evolución temprana de la vida, ^[6] desarrollar los sistemas necesarios para el origen de la vida, ^[6] o sustentar formas de vida extraterrestres. ^[9] El campo ahora ha inspirado el inicio de un tema de investigación especial en la revista Frontiers in Geochemistry. ^[10]

Los terremotos aplastan rocas en el subsuelo de la Tierra y en otros planetas tectónicamente activos. Los ríos también erosionan con frecuencia las rocas, dejando al descubierto superficies minerales frescas, y las olas en la costa erosionan los acantilados, fracturan las rocas y erosionan los sedimentos. ^[11]

De manera similar a los ríos y océanos, el poder mecánico de los glaciares se evidencia en su impacto sobre los paisajes. A medida que los glaciares se desplazan pendiente abajo, erosionan las rocas, generando superficies minerales fracturadas que pueden participar en reacciones mecanoquímicas.

En los laboratorios, los molinos de bolas planetarios se utilizan normalmente para inducir el triturado ^{[5] [6]} para investigar procesos naturales.

Las transformaciones mecanoquímicas suelen ser complejas y diferentes de los mecanismos térmicos o fotoquímicos. ^{[12] [13]} La molienda de bolas es un proceso ampliamente utilizado en el que se utiliza fuerza mecánica para lograr transformaciones químicas. ^{[14] [15]}

Elimina la necesidad de muchos solventes, ofreciendo la posibilidad de que la mecanoquímica pueda ayudar a que muchas industrias sean más respetuosas con el medio ambiente. ^{[16] [17]} Por ejemplo, el proceso mecanoquímico se ha utilizado para sintetizar fenolhidrazonas farmacéuticamente atractivas . ^[18]

Las reacciones mecanoquímicas abarcan reacciones entre materiales sólidos fracturados mecánicamente y cualquier otro reactivo presente en el medio ambiente. Sin embargo, las reacciones mecanoquímicas naturales con frecuencia involucran la reacción del agua con roca triturada, las llamadas reacciones agua-roca. ^{[6] [5] [4]} La mecanoquímica generalmente se inicia por la ruptura de enlaces entre átomos dentro de muchos tipos diferentes de minerales.

Los silicatos son los minerales más comunes en la corteza terrestre y, por lo tanto, constituyen el tipo de mineral que más comúnmente participa en las reacciones mecanoquímicas naturales. Los silicatos están formados por átomos de silicio y oxígeno, normalmente dispuestos en tetraedros de silicio. Los procesos mecánicos rompen los enlaces entre los átomos de silicio y oxígeno. Si los enlaces se rompen mediante una escisión homolítica, se generan electrones desapareados:

≡Si–O–Si≡ → ​​≡Si–O• + ≡Si•

≡Si–O–O–Si≡ → ​​≡Si–O• + ≡Si–O•

≡Si–O–O–Si≡ → ​​≡Si–O–O• + ≡Si•

La reacción del agua con radicales de silicio puede generar radicales de hidrógeno: ^[5]

2≡Si• + 2H ₂ O → 2≡Si–O–H + 2H•

2H• → _H2

Este mecanismo puede generar H2 para sustentar a los metanógenos en entornos con pocas fuentes de energía adicionales. Sin embargo, a temperaturas más altas (~>80 °C ^[6] ), los radicales de hidrógeno reaccionan con los radicales siloxilo, lo que impide la generación de H2 por este mecanismo: ^[4]

≡Si–O• + H• → ≡Si–O–H

2H• → _H2

Cuando el oxígeno reacciona con el silicio o los radicales de oxígeno en la superficie de las rocas trituradas, puede adsorberse químicamente a la superficie:

≡Si• + O ₂ → ≡Si–O–O•

≡Si–O• + O ₂ → ≡Si–O–O–O•

Estos radicales de oxígeno pueden entonces generar oxidantes como radicales hidroxilo y peróxido de hidrógeno: ^[19]

≡Si–O–O• + H2O _→ ≡Si–O–O–H + •OH

2 •OH _{→ H2O2}

Además, se pueden generar oxidantes en ausencia de oxígeno a altas temperaturas: ^[6]

≡Si–O• + H2O _→ ≡Si–O–H + •OH

2 •OH _{→ H2O2}

El _{H2O2 se} descompone naturalmente en el medio ambiente para formar agua y gas oxígeno :

2H2O2 → _2H2O + _O2​​_​

Se han revisado los fundamentos y aplicaciones que abarcan desde nanomateriales hasta tecnología. ^[20] El enfoque se ha utilizado para sintetizar nanopartículas metálicas , catalizadores , imanes , γ-grafina , yodatos metálicos , polvos nanocompuestos de carburo de níquel-vanadio y carburo de molibdeno-vanadio. ^[21]

La molienda de bolas se ha utilizado para separar los gases de hidrocarburos del petróleo crudo. El proceso utiliza entre el 1 y el 10 % de la energía de la criogenia convencional. La absorción diferencial se ve afectada por la intensidad, la presión y la duración de la molienda. Los gases se recuperan mediante calentamiento, a una temperatura específica para cada tipo de gas. El proceso ha procesado con éxito gases de alquinos , olefinas y parafinas utilizando polvo de nitruro de boro .

La mecanoquímica tiene potencial para el almacenamiento en estado sólido de hidrógeno, amoníaco y otros gases combustibles de manera eficiente desde el punto de vista energético. El polvo resultante es más seguro que los métodos convencionales de compresión y licuefacción. ^[22]

• Ondas de diferenciación embrionaria
• Mecanoluminiscencia
• Tribología

• Boulatov, Roman, ed. (2015). Mecanoquímica de polímeros . Springer. ISBN 978-3-319-22824-2.
• Lenhardt, JM; Ong, MT; Choe, R.; Evenhuis, CR; Martinez, TJ; Craig, SL, Atrapamiento de un estado de transición dirradical mediante extensión mecanoquímica de polímeros. Science 2010, 329 (5995), 1057-1060