Et periodisk system med molekylære knuder

Overvej et kort stykke reb - kunne du gætte, hvilke knuder der er mere tilbøjelige til at danne, hvis du krummer og ryster det? Syntetiske kemikere har længe arbejdet på en molekylær version af dette problem, og indtil videre, er det lykkedes at syntetisere en halv snes knudetyper ved hjælp af molekylære selvsamlingsteknikker. Men hvilke andre knudetyper kunne realiseres i fremtiden? Dette er det udfordrende spørgsmål, som SISSA -forskere, i samarbejde med University of Padua, har tacklet ved hjælp af computersimuleringer i dette nye værk udgivet i Naturkommunikation .

Forskerne identificerede en shortlist, en slags "periodisk tabel" af de mest designbare knytyper, dvs. de knuder, der let kunne samles under passende fysiske og kemiske forhold. Fundene, opnået med beregningsmæssige forudsigelsesmodeller, understøttes af de nyeste eksperimentelle resultater og burde hjælpe syntesen af ​​endnu uopdagede topologier. Dette studie, og den stadig mere forudsigelige evne til molekylære modelleringsteknikker, kan skabe nye muligheder for fremtidige avancerede applikationer, som konstruktion af sofistikerede molekylære maskiner til lastning og levering af nanoskala gods.

Ikke bare en intellektuel udfordring

"Der er en stigende videnskabelig interesse for komplekse molekyler. I denne sammenhæng, muligheden for at designe og syntetisere nye typer molekylære knuder er særligt tiltalende, "siger Mattia Marenda, første forfatter til denne undersøgelse.

"Indtil for nylig, kun få typer molekylære knuder var blevet syntetiseret. Disse var de enkleste knuder i matematiske tabeller, dvs. dem, der højst har 5 væsentlige krydsninger. "Man kunne således have forudsagt, at den næste knustype, der skulle syntetiseres, ville have haft seks krydsninger. Dog kan i en beregningsundersøgelse fra 2015, medforfatter Cristian Micheletti og samarbejdspartnere argumenterede for, at den enkleste og mest designbare uopdagede knytype var betydeligt mere kompleks og indeholdt hele otte vigtige krydsninger. Denne forudsigelse blev eksperimentelt bekræftet i 2017 og motiverede den nuværende undersøgelse, som anvendte en mere systematisk udforskning af de former eller konfigurationer, der kan dannes af identiske byggesten, der er syet sammen på en snorlignende måde.

"Med disse modeller, vi havde til formål at opdage, hvilke nye typer molekylære knuder, hvis nogen, ville være lettest at få med nuværende syntetiske kemiteknikker, især selvmontering. Vi fandt ud af, at disse privilegerede knude -typer findes, men er meget sjældne. Kun et dusin forskellige topologier kan realiseres blandt millioner af simple knudetyper. Resultaterne af vores modeller havde en iboende enkelhed, "siger Marenda." Molekylvævningen af ​​disse knytyper er modulær og yderst symmetrisk. Vi brugte disse funktioner som udvælgelseskriterier til at sile det enorme kombinatoriske rum af molekylære vævemønstre og opnåede en shortlist over knudetyper, der forventes let at blive samlet fra få identiske byggesten. "

"Shortlisten ligner en periodisk tabel, ved at den er organiseret i rækker og kolonner, der afspejler forskellige aspekter af den forventede vanskelighed ved praktisk realisering, "fortsætter Micheletti." Resultaterne understøttes af nylige eksperimenter, og det tyder på, at tabellen faktisk kan være nyttig for eksperimentelle kemikere til at vælge måltopologierne til yderligere undersøgelser og applikationer. "

Hvad er mulige langsigtede resultater af denne forskning? "På dette tidspunkt, "forklarer Marenda, "kemikere og fysikere har mest fokuseret på proof-of-concept demonstrationer af design og syntese af molekylære knuder. Ikke desto mindre, interessante applikative veje er allerede blevet foreslået. "

Et hovedeksempel er samling af molekylære bure:"I dette tilfælde, specifikke stoffer kunne være indlejret eller fanget i vævninger af syntetiske molekylære knuder. Sidstnævnte kunne derefter tjene som en kontrollerbar molekylær maskine, i stand til at laste eller frigive en nanoskala last afhængigt af de specifikke fysisk-kemiske forhold. Det er interessante og tiltalende perspektiver for mulige anvendelser inden for medicin eller elektronik. "