Molekylær modelleringskit i mikrometerstørrelse viser ægte kemiske reaktioner

Molekyler er så små, at vi ikke engang kan se dem med almindelige mikroskoper. Dette gør det vanskeligt at studere molekyler eller kemiske reaktioner:Forskere er begrænset til enten indirekte observationer eller computermodeller. Et team af forskere fra University of Amsterdam og New York University har nu fundet en måde at bygge mikrometer-størrelse modelmolekyler ved hjælp af 'fleksede partikler'. Dette giver mulighed for en meget mere direkte undersøgelse af molekylær dynamik. Resultaterne blev offentliggjort i Naturkommunikation denne uge.

Når vi lærer kemi i gymnasiet, vi bruger molekylære modelleringssæt, hvor atomerne er repræsenteret af træ- eller plastikkugler, som du kan forbinde for at danne molekyler. Disse modelleringssæt hjælper os med at visualisere den rumlige struktur af molekyler og forestille os, hvordan de reagerer, men der sker åbenbart ingen egentlige kemiske reaktioner mellem træ- eller plastikkuglerne. Det viser sig nu, at for meget små bolde ændrer denne situation sig dramatisk.

Et nyt modelsæt

Selvom molekylære modelleringssæt kan være meget nyttige, det meste af vores faktiske viden om molekyler opstår på en meget mere indirekte måde. Det kommer, blandt andre, fra målinger af det spektrum af stråling, som molekylerne absorberer. For eksempel, et infrarødt spektrum giver forskerne et fingeraftryk af de molekylære vibrationer, hvorfra de kan udlede den molekylære sammensætning og struktur. En direkte visning af molekyler ville give øjeblikkelig indsigt i deres arrangement, molekylære vibrationer og reaktioner. Imidlertid, sådanne direkte billeder er udelukket af molekylernes lille størrelse og hurtige bevægelse. Det faktum, at alle observationer af molekyler er indirekte, udfordrer vores fantasi om de tredimensionelle molekylære strukturer og reaktioner.

Dette problem fik fysikere og kemikere fra University of Amsterdam og New York University til at finde en måde at kombinere den lette visualisering af almindelige molekylære modelleringssæt med den faktiske fysik, der foregår på sub-nanometerskalaen af ​​rigtige molekyler. I laboratorierne i Amsterdam, forskerne formåede at bygge "molekyler" fra små mikrometer-størrelse plastikkugler, såkaldte kolloide partikler, der blev produceret i New Yorks laboratorier. Partiklerne blev lavet på en sådan måde, at de kun tiltrækker hinanden i bestemte retninger, modellere meget præcist de specifikke vinkler mellem kemiske bindinger mellem atomer, som bestemmer måden, hvorpå atomerne arrangerer sig i molekyler.

Disse mikrometer-størrelse partikler kombinerer faktisk det bedste fra begge verdener:de er små nok til at udvise den karakteristiske bevægelse og vibrationer, som molekyler oplever på grund af temperatur, men er lige store nok til at blive observeret og fulgt ved hjælp af et almindeligt mikroskop.

Atomer i, molekyler ud

For at efterligne bestemte typer atomer, forskerne i Amsterdam brugte teknikker, der er udviklet i løbet af de sidste par år, til at udstyre de kolloide partikler med attraktive pletter, hvor modelatomerne kunne 'klikke' sammen. Antallet og konfigurationen af ​​disse patches bestemmer typen af ​​atom, der modelleres - f.eks. at efterligne kulstofatomer, forskerne lavede partikler med fire pletter i en tetraedergeometri, eller partikler med to pletter på modsatte sider, reproduktion af bindingsvinklerne for to velkendte bindingstilstande af carbonatomer. Oven i det - og det er her, det nye sæt går langt ud over almindelige molekylære modeller - formåede de at finjustere interaktionerne mellem plastrene, så modelatomerne var i stand til at danne bindinger og splitte op igen på nøjagtig samme måde, som atomer gør. i rigtige kemiske reaktioner.

Modelleringssættet viste sig at fungere fremragende. Da flere modelatomer blev bragt sammen, forskerne observerede, at partiklerne faktisk dannede de "molekyler", som er velkendte fra kulstofkemi. Under et mikroskop, analoger af molekyler som butyn og butan var synlige - molekyler, der har deres hovedatomer arrangeret langs en linje. Molekyler med ringlignende konfigurationer, som spiller en vigtig rolle i organisk kemi, kunne også modelleres:strukturer såsom cyclopentan (et molekyle med en ring på fem carbonatomer) og cyclohexan (med en ring på seks sådanne atomer) kunne observeres.

Rynkning og katalyse

På grund af den større størrelse af modelmolekylerne, forskerne kunne følge deres dannelse og indre bevægelse i realtid og meget detaljeret. Dette gjorde det muligt for dem direkte at se fænomener, der kun var kendt for at opstå fra indirekte observationer. For eksempel, for fematomers ringstruktur af cyclopentan, de observerede direkte den karakteristiske "rynende" bevægelse af de indgående atomer:cyclopentanringen er ikke fikseret i et enkelt plan, men det deformeres, så atomer, der består af, bevæger sig ind og ud af det plan. Årsagen til denne adfærd er, at de naturlige vinkler mellem atomerne ikke helt matcher de vinkler, der er nødvendige for at lave en flad fem-atom ring, og som et resultat skal et atom altid rynkes ud af planet. Indtil nu, den resulterende rynkebevægelse var kun blevet observeret ved indirekte spektroskopiske målinger, men nu kunne forskerne se det ske for deres øjne, følger bevægelsen direkte i virkeligt rum og tid. De fandt ud af, at vendingerne forekom kollektivt:op- og nedbevægelsen af ​​en partikel påvirkede bevægelsen af ​​alle andre partikler i ringen.

Ved at bruge det samme molekyle, forskerne kunne så observere, hvordan kemiske reaktioner fandt sted. Ringen blev observeret at åbne sig og binde sig til andre molekyler - en effekt, som kunne forstærkes ved at tilføje en attraktiv overflade til opsætningen. Det er, overfladen fungerede som en katalysator, giver indsigt - helt bogstaveligt - i, hvad der sker under sådanne katalytiske reaktioner.

Lille nok, men alligevel stor nok

Selvfølgelig, mikrometerstørrelsen af ​​modelatomerne er stadig en faktor 1000 eller deromkring større end subnanometerstørrelsen af ​​faktiske atomer, men pointen er, at de er små nok til at gennemgå tilfældige termiske bevægelser, og det er det, der får kemiske reaktioner til at ske. Som Richard Feynman berømt udtrykte det i sine forelæsninger, "Alt, hvad levende ting gør, kan forstås ud fra atomernes jiggling og vrikken"; og det er netop disse jiggling og vrikke, tydeligt observerbart, når man ser på de kolloide atomer med et mikroskop, der adskiller det molekylære modelleringssæt i mikrometerstørrelse fra dets modstykke, som vi kender fra gymnasiet.

Dermed, modelleringssættet er et meget nyttigt værktøj til direkte at observere "molekyler" i deres naturlige habitat, og bør have mange nyttige applikationer. Udover at give en attraktiv visualisering af molekyler, resultaterne giver indsigt i geometriske katalysatorers virkning på molekylære reaktioner. Desuden, tilgængeligheden af ​​de nye små byggeklodser åbner døren til design af komplekse nye materialer, direkte under mikroskopet, med et væld af anvendelser lige fra kunstigt væv til f.eks. medicinske formål til funktionelle nanostrukturer, der kan bruges i teknologi.