Grundlæggende opdagelser for fremtidige nanoværktøjer:Kemikere skelner mellem flere svage kræfter

Processen med at bygge en lillebitte terning har afsløret nogle af de grundlæggende mysterier om, hvordan molekyler bindes sammen i naturlige miljøer. Forskere håber at kunne anvende denne viden til fremtidige projekter, der designer komplekse strukturer, der kan efterligne livet.

Når to molekyler omgivet af vand bevæger sig mod hinanden, en del af deres oprindelige tiltrækning skyldes nogle gange den kemiske kraft til at afvise vand - den hydrofobe effekt.

Når molekylerne er tæt på hinanden, men endnu ikke formelt bundet, en meget svagere kraft bliver vigtig - spredningskraften.

"Vores drøm er at kontrollere spredningskraften og give et simpelt designprincip til at bruge spredningskraften til at bygge komplekse selvsamlende strukturer, "sagde professor Shuichi Hiraoka, leder af laboratoriet, hvor forskningen blev udført i University of Tokyo Department of Basic Science.

Dispersionskræfter er en type van der Waals-kræfter, nogle af de svageste kemiske interaktioner kendt i naturen. Selvom det er svagt, van der Waals kræfter er vigtige; de hjælper gekkoer med at gå op ad vægge og blev tidligere identificeret i 2018 af den samme forskergruppe som at låse de gear- eller snefnugformede molekyler i de selvsamlende nanokuber sammen.

Måling af spredningskraften under naturlige forhold, som når molekyler er i opløsning med vand, har været umuligt. Kraften er så svag, at den ikke kan identificeres separat fra de andre kræfter, der er i spil.

Imidlertid, i nye forsøg, forskergruppen brugte deres selvsamlende nanokuber som værktøjer til at forstærke forskelle i spredningskraften.

Molekylerne, der udgør siderne af kuberne, blev modificeret til at indeholde atomer udvalgt for deres polariserbarhed, hvilket betyder deres reaktion på det omgivende elektriske felt. Hver fuldt samlet nanokube indeholdt 18 af disse polariserbare atomer.

Den kombinerede effekt af 18 atomer var nok til at skabe målbare forskelle i dispersionskraften afhængigt af hvilket polariserbart atom, der var fastgjort.

Spredningskraften beregnes matematisk efter brug af en teknik kaldet isotermisk titreringskalorimetri til at måle mængden af ​​varme, der frigives, når molekyler binder sammen.

Flere polariserbare atomer skabte stærkere spredningskræfter og gjorde nanokuberne mere stabile. Afhængigt af den estimerede værdi af den hydrofobe effekt, dispersionskraften bidrager med 0,6 til 2,2 gange større tiltrækningskraft og stabilitet til kuben end den hydrofobe effekt.

Forskere planlægger at bruge denne viden om mere polariserbare atomer, der skaber stærkere spredningskræfter til at designe fremtidige kunstige molekylære strukturer med mere komplekse former og øgede funktioner.

"For eksempel, vi kunne designe molekyler med større bindingsoverfladearealer og placere polære atomer langs kanterne for at øge den overordnede stabilitet gennem tiltrækning af dispersionskræfter, "sagde Hiraoka.

Løsning af et mysterium inden for lægemiddeldesign

Hiraoka oplyser, at målingerne for nanokuber bygget med normalt brint sammenlignet med deuterium, den "tunge" isotop af brint, bør være relevant for lægemiddeldesignteori. Forskning fra andre grupper havde ført til modstridende rapporter blandt kemikere om, hvorvidt udskiftning af brint med det dobbelt så tunge og større deuterium ville skabe stærkere spredningskraft.

Som hovedregel, større atomer er mere polariserbare, og forskere havde nye data, der indikerer øget polariserbarhed, førte til stærkere spredningskræfter. Imidlertid, i nogle tilfælde gør det mindre brint faktisk en stærkere spredningskraft end tungt deuterium, men andre rapporter viste den modsatte eller ubetydeligt lille forskel mellem de to atomer.

"I vores eksperimenter, entropi-entalpiforskellen er fuldstændig afbalanceret. Den frie energi frigivet af nanokuber med brint eller deuterium er stort set identisk, så der er måske ingen forskel på dem, " sagde Hiraoka.

En væsentlig forskel mellem tidligere forskning og disse eksperimenter er, at UTokyo-teamet brugte en mere naturtro tilstand med at være i opløsning med vand og forstærkede effekten ved hjælp af nanocube-designet.