Binde molekyler lige så let som snørebånd

Selvom knuder kan være til gene, de er også meget nyttige, når det kommer til at binde dine snørebånd, eller når du skal sejle. I matematik, der er ikke mindre end 6 milliarder forskellige potentielle knob, men hvad med knob i kemi? Siden 1970'erne, videnskabsmænd har forsøgt at binde molekyler sammen for at skabe nye, specialfremstillede mekaniske egenskaber, der kunne give anledning til nye materialer. De første succeser fandt sted 20 år senere, men processen forbliver besværlig.

I dag, forskere fra universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, har udviklet en enkel og effektiv teknik til at binde knuder i molekyler, og har for første gang observeret de ændringer i egenskaber, der følger af disse sammenlåsninger. Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Kemi - Et europæisk tidsskrift , åbne op for nye perspektiver for at designe materialer og overføre information molekylært.

Knob er bestemt nyttige. Men hvad med i kemi? Er det muligt at binde molekyler sammen? Ideen dukkede første gang op i 1971 med det formål at skabe nye materialer induceret af ændringerne i mekaniske og fysiske egenskaber, der ville følge af disse sammenlåsninger. Men det var først i 1989, at Jean-Pierre Sauvage, den franske 2016 nobelprisvinder i kemi, lykkedes. Forskere har efterfølgende arbejdet hårdt på at forsøge at danne knuder, men det er stadig udfordrende.

"For at binde molekyler sammen, du skal bruge metaller, der binder sig til molekylerne og dirigerer dem på en meget bestemt vej, danner de skæringspunkter, der er nødvendige for at lave knob, " forklarer Fabien Cougnon, en forsker i Institut for Organisk Kemi på UNIGEs Naturvidenskabelige Fakultet. "Men det er en kompleks proces, der ofte resulterer i et tab af råmateriale på over 90%. Den resulterende mængde molekylære knob er typisk kun et par milligram højst, ikke nok til at lave nye materialer."

Hydrofobe molekyler, der binder sammen af ​​sig selv

UNIGE-kemikerne udviklede en ny teknik, der gør det muligt nemt at skabe sammenlåste molekyler. "Vi bruger fede molekyler, som vi lægger i blød i vand opvarmet til 70 grader. Da de er hydrofobe, de forsøger at undslippe vandet for enhver pris, samle sig og danne en knude ved hjælp af selvsamling, " siger Tatu Kumpulainen, en forsker i Fysisk-kemisk Afdeling i UNIGEs Naturvidenskabelige Fakultet.

Takket være denne nye teknik, de Genève-baserede kemikere kan lave molekylære knuder uden besvær, og – endnu vigtigere – uden at miste noget materiale. "Vi omdanner op til 90% af de grundlæggende reagenser til knob, hvilket betyder, at vi kan overveje en reel analyse af ændringerne i de mekaniske egenskaber induceret af knuderne, som aldrig er blevet gjort før, " bemærker Cougnon. Selvom de ikke kan vælge, hvordan molekylerne bindes sammen, de er i stand til at gengive den samme knude efter behag, fordi den samme kemiske struktur altid vil danne en identisk knude i vandigt miljø.

Hver knude har sine egne mekaniske egenskaber

Nu hvor det er blevet nemt at knytte molekyler, hvad kan forskere gøre med disse knob? Er der nogen værdi i at danne dem? For at kontrollere virkningen af ​​sammenlåsningerne, Genève-kemikerne valgte en familie af molekyler, der alle har samme design:De absorberer ultraviolet, er fluorescerende og er meget følsomme over for det generelle miljø, især tilstedeværelsen af ​​vand.

"Vi skabte fire knob, fra det enkleste til det mest komplekse (nul, to, tre og fire kryds), som vi sammenlignede med et referencemolekyle, der udgør deres grundlag, " forklarer Cougnon. "For at gøre dette, vi brugte først nuklear magnetisk resonans (NMR) til at observere stivheden af ​​de forskellige dele af knobene og hastigheden og måden, de bevæger sig i forhold til hinanden." Forskerne fandt en første ændring i mekaniske egenskaber:jo mere komplekse knuderne er, jo mindre bevæger de sig.

Kemikerne brugte efterfølgende spektroskopi til at sammenligne spektrene af de fire knob med hinanden. "Vi bemærkede snart, at de løsere enkeltknuder (nul og to skæringspunkter) opførte sig på samme måde som referencemolekylet, " fortsætter Kumpulainen. "Men når knuderne er mere komplekse, molekylerne – som var tættere – ændrede deres fysiske egenskaber og farve! Deres måde at absorbere og udsende lys adskilte sig fra referencemolekylet." Denne farveændring betyder, at forskerne kan visualisere de mekaniske egenskaber, der er specifikke for hver samling, inklusive dens elasticitet, struktur, bevægelse eller position.

For første gang, Genève-kemikerne har vist, at sammenknyttede molekyler ændrer mekaniske egenskaber. "Vi ønsker nu at være i stand til at kontrollere disse ændringer fra A til Z, så vi kan bruge disse knob, for eksempel, som indikatorer for miljøets egenskaber, " siger Kumpulainen. Nu hvor der ikke er noget tab af materiale, når man laver krydsene, de planlægger også at bygge nye materialer, såsom elastikker, ved hjælp af knudernes netværk. "Endelig, vi kan overveje at overføre information inde i en knude takket være en simpel ændring af position på en del af knuden, som ville afspejles i hele strukturen og ville formidle informationen, " afslutter Cougnon.