Ny algoritme finder det optimale bindingsbrudpunkt for enkelte molekyler

Den seneste udvikling inden for atomkraftmikroskopi har gjort det muligt for forskere at anvende mekaniske kræfter på individuelle molekyler for at fremkalde kemiske reaktioner.

Et forskerhold fra Spanien og Tyskland har nu udviklet en første af sin art algoritme, der bestemmer den minimale kraft, det tager for at nå det optimale bindingsbrudpunkt (BBP) på molekylært niveau for mekanisk at fremkalde en kemisk reaktion. De rapporterer deres resultater i denne uge i Journal of Chemical Physics .

Algoritmen kan anvendes på ethvert molekyle, herunder biologiske molekyler som proteiner såvel som uorganiske molekyler. Deres forskning har konsekvenser for mange applikationer, herunder molekylære maskiner, mekanisk elastiske og selvhelbredende polymerer, stressfølsomme materialer og katalysatordesign. Algoritmen kan også bruges til at undersøge, hvordan eksterne elektriske felter kan katalysere og kontrollere kemiske reaktioner.

Når man studerer mekanokemiske processer, forskere leder efter den mekaniske reaktion af reaktantmolekylets minimumsenergistruktur. Når den ydre kraft stiger, minimale energi- og overgangstilstandsstrukturer på den kraftmodificerede potentielle energioverflade bliver identiske, og strukturen, hvor dette sker, er den efterspurgte BBP.

"Vores arbejde fremhæver, at der findes et andet sæt vigtige punkter på den potentielle energioverflade i et givet system, nemlig BBP, der skal tages i betragtning ved mechanokemiske applikationer, "sagde Wolfgang Quapp, en medforfatter af papiret, der tilføjede, at BBP er et nyt koncept inden for mekano-kemi.

De optimale BBP'er for en potentiel energioverflade er afgørende, ifølge Quapp, fordi de giver information om den måde, hvorpå trækstyrker skal påføres for at udløse kemiske transformationer med den højest mulige effektivitet ved hjælp af den mindste mængde kraft.

Båndet, bøjning og torsion af et molekyle har varierende stivhed. Derfor, bestemmelse af et molekyls kraftbærende stillads, at forudse, for eksempel, punktet for bindingsbrud i et overstrakt molekyle, betyder, at forskellige retninger af den ydre kraft skal testes.

"Vores algoritme giver forskere mulighed for at identificere, hvilken del af et molekyle, der er mest modtagelig for mekanisk stress, og dermed er algoritmen et vigtigt skridt i designet af mere effektive måder at udnytte mekanisk energi til at aktivere kemiske reaktioner på, "Quapp sagde." Betydningen af ​​den optimale BBP ligger i, at den giver den optimale retning og størrelse af trækkraften. Dette nødvendiggør en algoritme til let at finde denne type punkter. "

Algoritmen er baseret på Newton -baner, som kommer fra den matematiske metode til beregning af nuller for en funktion. For BBP'er, Newtonbanerne er placeret nær reaktionsvejen for den kemiske reaktion, der overvejes.