Shear-activation of mechanochemical reactions through molecular deformation

材料科学 分子动力学 化学反应 化学物理 雷亚克夫 剪应力 剪切(地质) 反应机理 反应速率 分子 变形(气象学) 化学 复合材料 计算化学 催化作用 有机化学 原子间势
作者
Fakhrul H. Bhuiyan,Yusheng Li,Seong H. Kim,Ashlie Martini
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:7
标识
DOI:10.1038/s41598-024-53254-2
摘要

Abstract Mechanical stress can directly activate chemical reactions by reducing the reaction energy barrier. A possible mechanism of such mechanochemical activation is structural deformation of the reactant species. However, the effect of deformation on the reaction energetics is unclear, especially, for shear stress-driven reactions. Here, we investigated shear stress-driven oligomerization reactions of cyclohexene on silica using a combination of reactive molecular dynamics simulations and ball-on-flat tribometer experiments. Both simulations and experiments captured an exponential increase in reaction yield with shear stress. Elemental analysis of ball-on-flat reaction products revealed the presence of oxygen in the polymers, a trend corroborated by the simulations, highlighting the critical role of surface oxygen atoms in oligomerization reactions. Structural analysis of the reacting molecules in simulations indicated the reactants were deformed just before a reaction occurred. Quantitative evidence of shear-induced deformation was established by comparing bond lengths in cyclohexene molecules in equilibrium and prior to reactions. Nudged elastic band calculations showed that the deformation had a small effect on the transition state energy but notably increased the reactant state energy, ultimately leading to a reduction in the energy barrier. Finally, a quantitative relationship was developed between molecular deformation and energy barrier reduction by mechanical stress.
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