The many flavours of mechanochemistry and its plausible conceptual underpinnings

机械化学 微尺度化学 化学 化学物理 纳米技术 材料科学 数学 数学教育
作者
Robert T. O’Neill,Roman Boulatov
出处
期刊:Nature Reviews Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:5 (3): 148-167 被引量:235
标识
DOI:10.1038/s41570-020-00249-y
摘要

Mechanochemistry describes diverse phenomena in which mechanical load affects chemical reactivity. The fuzziness of this definition means that it includes processes as seemingly disparate as motor protein function, organic synthesis in a ball mill, reactions at a propagating crack, chemical actuation, and polymer fragmentation in fast solvent flows and in mastication. In chemistry, the rate of a reaction in a flask does not depend on how fast the flask moves in space. In mechanochemistry, the rate at which a material is deformed affects which and how many bonds break. In other words, in some manifestations of mechanochemistry, macroscopic motion powers otherwise endergonic reactions. In others, spontaneous chemical reactions drive mechanical motion. Neither requires thermal or electrostatic gradients. Distinct manifestations of mechanochemistry are conventionally treated as being conceptually independent, which slows the field in its transformation from being a collection of observations to a rigorous discipline. In this Review, we highlight observations suggesting that the unifying feature of mechanochemical phenomena may be the coupling between inertial motion at the microscale to macroscale and changes in chemical bonding enabled by transient build-up and relaxation of strains, from macroscopic to molecular. This dynamic coupling across multiple length scales and timescales also greatly complicates the conceptual understanding of mechanochemistry. The diverse manifestations of mechanochemistry probably share a similar mechanism, whereby mechanical motion drives otherwise endergonic reactions. This Review discusses what reactions of stretched polymers and model macrocycles have taught us about this mechanism.
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