Ensomme vandmolekyler viser sig at være direktører for supramolekylær kemi

Forskere inden for supramolekylær kemi støder ofte på overraskende resultater. En brudt forsegling af en laboratoriekuvette førte en amerikansk forsker ved Eindhoven University of Technology til kilden til disse uforklarlige resultater:vejret. Eller fugtigheden, for at være mere præcis, fordi dette bestemmer vandkoncentrationen i olier, der bruges som opløsningsmidler, som man tidligere mente var ubetydelig. Forskning viser nu, at de ensomme vandmolekyler i olie ikke kun er tilskuere, de leder fast supramolekylære processer. Dette resultat betyder, at en masse tidligere forskning skal undersøges igen, men også at kemikere får en ny, billigt og kraftfuldt værktøj. Resultaterne offentliggøres i Natur .

I september 2016 tilbragte postdoktorforsker Nathan van Zee en uge med sine forældre i Florida. Men hans tanker førte ham ofte tilbage til sit laboratorium i Holland, fordi han længe havde kæmpet med uregelmæssige resultater, han ikke forstod. De molekylære spiraler, som han syntetiserede, havde undertiden en struktur med uret og nogle gange en mod uret. Dette er en vigtig forskel - f.eks. det kan gøre forskellen mellem et stof, der virker, og et stof, der ikke gør det. Van Zee havde allerede prøvet alle mulige ting, men kom ikke tættere på svar.

Efter hans flyvning tilbage fra USA gik han straks til sit laboratorium for at starte et nyt eksperiment, hvorefter han ville tage en lur. Men hans jetlag fik ham til at bruge de forkerte indstillinger til instrumentet, og han sov. Hans eureka -øjeblik, hvilket i sidste ende ville føre til en Natur offentliggørelse, kom dagen efter. Tilbage i laboratoriet så han mærkelige resultater. Men han så også, at forseglingen af ​​hans labkuvette var brudt, og ultradry luft fra den omsluttende prøveholder var kommet ind i den. Dette gav ham et vigtigt fingerpeg:hans prøve var blevet mere tør, hvilket tyder på, at vandindholdet i opløsningsmiddelolien er en drivkraft.

Van Zee og hans vejleder professor Bert Meijer vidste straks, at de var i gang med noget vigtigt, og de besluttede at komme til bunds i det. De opdagede, at det faktisk var vandkoncentrationen i prøven, der gjorde forskellen, selvom det kun var få ppm (dele pr. million). Selv med ekstremt små udsving i vandkoncentrationen, de observerede, at spiralrotationen ændres fra med uret til mod uret.

Dette resultat fik forskerne til at se nærmere på nogle af deres tidligere arbejde, der havde uforklarlige resultater. Det viste sig, at vandkoncentrationen også i disse tests bestemte resultatet. De tidligere uforklarlige ændringer i resultaterne var forårsaget af udsving i vandindholdet i det oliebaserede opløsningsmiddel. Fordi dette indhold svinger med luftfugtigheden. Og den atmosfæriske luftfugtighed - indendørs og udendørs - ændrer sig konstant på grund af vejret. Konsekvensen er, at en testkørsel på dag A kan have helt andre resultater end nøjagtig den samme testkørsel på dag B.

Van Zee og hans kolleger afslørede også, hvordan den lille vandkoncentration kan have så stor indflydelse. Vandmolekyler er polære:den ene side er negativt ladet og den anden positivt. Derfor binder de gerne, via såkaldte hydrogenbindinger. Men olie er hydrofob:den frastøder vand. Denne frastødning efterlader for lidt plads til, at vandmolekylerne i olie kan binde sig til andre vandmolekyler; de er isolerede. Det betyder, at deres potentielle energi til at danne nye hydrogenbindinger er tilgængelig til andre formål. Eindhoven -forskerne har vist, at denne energi af vand spiller en afgørende rolle i dannelsen af ​​supramolekylære strukturer. Disse er molekylære aggregater baseret på reversible bindinger, for eksempel hydrogenbindinger.

Deres fund lægger en stor byrde på deres eget videnskabelige område såvel som tilstødende. En masse kemi udføres i olie, så en masse tidligere forskning skal revurderes for at vurdere effekten af ​​vand. Forskerne formoder, at mange tidligere rapporter om uforklarlige fænomener, det være sig ændringer i struktur, størrelse eller forarbejdning, skyldes grundlæggende interaktioner med vand.

På den anden side giver Eindhoven -forskerholdet kemikere over hele verden et fantastisk nyt instrument, Van Zee forklarer. "Vandkoncentrationen viser sig at have en meget stærk indflydelse. Og man kan let kontrollere den, ved at manipulere fugtigheden, hvilket er ret enkelt i et lukket miljø. Vi tror, ​​at der vil være en masse opfølgende forskning også inden for andre kemiområder. "