Udfordrer en central grundsætning i kemi

Steve Granick, Direktør for IBS Center for Soft and Living Matter og Dr. Huan Wang, Seniorforsker, rapport sammen med 5 tværfaglige kolleger i tidsskriftets 31. juli-udgave Videnskab at almindelige kemiske reaktioner accelererer Brownsk diffusion ved at sende langrækkende bølger ind i det omgivende opløsningsmiddel.

Resultaterne krænker et centralt dogme inden for kemi, at molekylær diffusion og kemisk reaktion er uafhængige. At observere, at molekyler får energi ved kemisk reaktion er "nyt og ukendt, " sagde Granick. "Når et stof omdannes til et andet ved at bryde og danne bindinger, dette får faktisk molekylerne til at bevæge sig hurtigere. Det er, som om de kemiske reaktioner rører sig naturligt«.

"I øjeblikket, naturen gør et fremragende stykke arbejde med at producere molekylære maskiner, men i den naturlige verden har videnskabsmænd ikke forstået godt nok, hvordan man designer denne egenskab, " sagde Wang. "Ud over nysgerrigheden efter at forstå verden, vi håber, at dette praktisk talt kan blive nyttigt til at vejlede tanken om at transducere kemisk energi til molekylær bevægelse i væsker, til nanorobotik, præcisionsmedicin og grønnere materialesyntese."

De uventede krusninger genereret af kemiske reaktioner, især når de er katalyseret (accelereret af stoffer, der ikke selv indtages), forplante sig over lang rækkevidde. For kemikere og fysikere, dette arbejde udfordrer lærebogens synspunkt om, at molekylær bevægelse og kemisk reaktion er afkoblet, og at reaktioner kun påvirker nærområdet. For ingeniører, dette arbejde viser en kraftfuld ny tilgang til design af nanomotorer på det virkelig molekylære niveau.

Screening af 15 organiske kemiske reaktioner, forskerne studerer kemiske reaktioner, der er arbejdsheste med bred anvendelse inden for det organiske kemikalie, medicinal- og materialeindustrien. For eksempel, 'klik'-reaktioner hjælper med at samle biblioteker af biomedicinske forbindelser til screening, og Grubbs-reaktionen bruges til plastfremstilling. Deres økonomiske indvirkning er stor. Skøn viser, at størstedelen af ​​alle fremstillede produkter kræver katalyse et sted i deres produktionssekvens.

Wang bemærkede med entusiasme "Nu, vi er som en baby, der tager sine første skridt, og der er så mange spændende muligheder for at vokse denne baby."

Ved udformningen af ​​deres studie, forskerne var bio-inspirerede ved at bemærke, at bevægelse kan drives af enzymer og andre molekylære motorer, der er fremherskende i levende systemer. Banebrydende tidligere arbejde af Dr. Ah-Young Jee i samme forskningscenter viste dette. Men der var ingen konsensus blandt forskere, om disse rapporter korrekt kunne udvides uden for biologien. At analysere problemet, forskerne lavede en højrisiko, argument med højt udbytte. De antog, at fænomenet ville danne en tilgang til at forstå molekylære maskiner i den virkelige verden.

Tester deres hypotese, holdet udviklede nye analytiske teknikker. Professor Tsvi Tlusty, en teoretiker, forudsagde, at katalysatorer i reaktionsgradienter skulle migrere 'op ad bakke' i retning af mindre diffusivitet. Professor Yoon-Kyoung Cho, en mikrofluidikekspert, designet en skræddersyet mikrofluidikchip til at teste denne idé. Dr. Ruoyu Dong, en forskningsstipendiat, udført numeriske computersimuleringer. "Vores tværfaglige team reagerede utroligt hurtigt på forskningsmulighederne, takket være forskningsfriheden fra det koreanske institut for grundvidenskab, sagde Granick.

Holdet præsenterer retningslinjer, der viser, at størrelsen af ​​diffusionsstigning i forskellige systemer afhænger af energifrigivelseshastigheden. Disse retningslinjer kan praktisk talt være nyttige til at estimere virkningen i endnu ikke-testede reaktioner. Ud over dette, undersøgelsen er meget nyttig til at udvide forståelsen af ​​aktive materialer, en samlebetegnelse, der traditionelt refererer til ting som celler og mikroorganismer.

Granick konkluderede:"Området for aktive materialer, ret ny og vokser hurtigt, er beriget af denne opdagelse af, at kemiske reaktioner opfører sig som nanosvømmere lavet af individuelle molekyler, der sætter gang i reaktionssuppen. Konceptet med aktive materialer har vist sin værdi ved at udfordre et centralt dogme inden for kemi."

Disse resultater blev offentliggjort den 31. juli, 2020 udgave af Videnskab magasin. Undersøgelsen blev udført på IBS Center for Soft and Living Matter af forfatterne Huan Wang, Myeonggon Park, Ruoyu Dong, Junyoung Kim, Yoon-Kyoung Cho, Tsvi Tlusty, og Steve Granick.