Ny forskning forklarer, hvorfor nogle molekyler har uregelmæssige former

Der er altid en grund til, hvordan molekyler dannes, og hvordan de er formet. Når først forskere forstår bindingerne i molekyler, de finder ud af måder at bruge de materialer, de danner på, bedst muligt, frigøre nye innovationer inden for videnskab og teknologi.

Men der er en binding, som videnskabsmændene fik stukket af – bindingen mellem nogle typer metaller og kulstof. Professor i kemi Timothy Hanusa og ph.d. studerende Ross Koby satte sig for at replikere denne unikke type binding ved hjælp af modelleringsteknologi.

"Hvis vi kunne få de molekylære modeller til at danne den samme form, som molekylerne gør i det virkelige liv, vi ville være i stand til at forstå, hvorfor bindingerne dannes i sådanne uregelmæssige former, " sagde Hanusa.

Ved at ændre modelleringsberegningerne og indarbejde yderligere data, holdet fandt nye faktorer, der tegner sig for dannelsen, udfordre eksisterende teorier. De har for nylig skitseret deres fund for webstedet Science Trends.

De pågældende metal- og kulstofbindinger forekommer i forbindelser, der ligner Oreo-kager:i midten er metallet, og det er omgivet på begge sider af ringe af kulstof. Ligesom med en Oreo-småkage, ringene er generelt parallelle og afbalancerede, holde de negativt ladede ringe så langt væk fra hinanden som muligt. Men i nogle af disse forbindelser, især med sjældne jordarters metaller som samarium eller tungere metaller som calcium og strontium, ringene skråner mod hinanden, bøjning, så de næsten rører ved den ene side.

I tilfælde af de sjældne jordarters metaller, dette kan forklares ved kovalent binding - de to sider af molekylet deler elektroner frem og tilbage, i et mønster som en 8-figur, der er blevet foldet over i midten.

Men for de tungere metaller med en mere ionbinding, hvor atomer tiltrækker som to sider af en magnet, de negativt ladede sider skal frastøde hinanden.

Forskere har tidligere redegjort for dette med noget, der kaldes spredningsinteraktionsfænomenet, hvilket betyder, at selv atomer, der frastøder i umiddelbar nærhed, faktisk tiltrækkes af hinanden på længere afstande. Det er en svag interaktion, der ikke altid tages højde for i modelleringsteknologi.

Hanusa og Koby testede denne teori ved at lave nogle store ændringer i modelleringsberegninger. Først, de brugte mere fuldstændige beskrivelser af elektronerne i molekylernes metalcentre (flødefyldet i kagen) for at se, om de kunne påvirke bindingen eller forårsage bøjningen.

Næste, de brugte en ny beregning, der er fuldstændig spredningsfri. Mens gamle modeller muligvis har inkluderet effekten af ​​spredning, den nye model ophæver effekten fuldstændigt. Den vej, forskere kan køre modellerne uden spredning, og tænd den derefter igen for at se, hvordan modellen ændrer sig.

Det, de fandt med den nye model, bekræftede teorien om, at sjældne jordarters metal/carbon-bindinger er i den mere kovalente ende af spektret. Disse molekyler blev naturligt bøjet, selv når dispersionseffekten var slået fra.

Tungmetal/kulstofmolekylerne dog viste noget nyt. De molekylære modeller bøjede selv uden spredningseffekten - ikke så meget som i det virkelige liv, men nok til at vise, at elektronerne i centermetallet forårsagede en vis bøjning. Når spredningseffekten også var slået til, de molekylære modeller bøjede ligesom de rigtige molekyler gør. Det betyder, at både dispersion og kovalente effekter får dette molekyle til at bøje.

De nye beregninger viser, hvordan dispersion og kovalente effekter kan arbejde sammen om at ændre strukturen af ​​molekyler. Dette har betydelige konsekvenser inden for mange områder af kemi, fra bestemmelse af væskes kogepunkter til at påvirke proteinfoldning. Takket være denne nye forskning, videnskabsmænd kan nu beskrive molekyler mere præcist og forstå, hvorfor de opfører sig og reagerer på bestemte måder.