Kemikere bliver molekylære billedhuggere, syntetisere lille, molekylære fælder

(PhysOrg.com) -- Bruger smart, men elegant design, University at Buffalo kemikere har syntetiseret små, molekylære bure, der kan bruges til at fange og rense nanomaterialer.

Skulpteret af en speciel slags molekyle kaldet et "flaskebørstemolekyle, "fælderne består af små, organiske rør, hvis indvendige vægge bærer en negativ ladning. Denne funktion gør det muligt for rørene selektivt kun at indkapsle positivt ladede partikler.

Ud over, fordi UB-forskere konstruerer rørene fra bunden, de kan skabe fælder af forskellige størrelser, der fanger molekylære byttedyr af forskellig størrelse. Det mulige niveau af finjustering er bemærkelsesværdigt:I Journal of the American Chemical Society , forskerne rapporterer, at de var i stand til at fremstille nanorør, der fangede partikler på 2,8 nanometer i diameter, mens partikler kun 1,5 nanometer større efterlades urørte.

Den slags bure kunne bruges, i fremtiden, at fremskynde kedelige opgaver, såsom at adskille store kvanteprikker fra små kvanteprikker, eller adskille proteiner efter størrelse og ladning.

"Formerne og størrelserne af molekyler og nanomaterialer dikterer deres anvendelighed til ønskede anvendelser. Vores molekylære bure vil tillade en at adskille partikler og molekyler med forudbestemte dimensioner, dermed skabe ensartede byggesten til fremstilling af avancerede materialer, " sagde Javid Rzayev, UB adjunkt i kemi, der ledede forskningen.

"Ligesom en entreprenør ønsker, at fliser eller mursten skal have samme størrelse, så de passer godt sammen, forskere er ivrige efter at producere nanometer-størrelse partikler med samme dimensioner, som kan gå langt i retning af at skabe ensartede og velopdragne materialer, " sagde Rzayev.

For at skabe fælderne, Rzayev og hans team konstruerede først en speciel slags molekyle kaldet et flaskebørstemolekyle. Disse ligner en rund hårbørste, med molekylære "børster", der rager hele vejen rundt om en molekylær rygrad.

Efter at have syet børsterne sammen, forskerne udhulede midten af ​​hvert flaskebørstemolekyle, efterlader en struktur formet som et toiletpapirrør.

Udskæringsprocessen brugte enkel, men smart kemi:Når de byggede deres flaskebørstemolekyler, forskerne konstruerede hjertet af hvert molekyle ved hjælp af molekylære strukturer, der går i opløsning, når de kommer i kontakt med vand. Omkring denne kerne, forskerne vedhæftede derefter et lag af negativt ladede carboxylsyregrupper.

At forme molekylet, videnskabsmændene nedsænkede det derefter i vand, i realiteten udhuler kernen. Den resulterende struktur var fælden - et nanorør, hvis indre vægge var negativt ladede på grund af tilstedeværelsen af ​​de nyligt eksponerede carboxylsyregrupper.

For at teste rørenes effektivitet som fælder, Rzayev og kolleger designet en række eksperimenter, der involverer en to-lags kemisk cocktail.

Cocktailens bundlag bestod af en chloroformopløsning indeholdende nanorørene, mens det øverste lag bestod af en vandbaseret opløsning indeholdende positivt ladede farvestoffer. (Som i en tequila solopgang, jo tyndere, vandbaseret opløsning flyder oven på den tættere chloroformopløsning, med lidt blanding.)

Da forskerne rystede cocktailen i fem minutter, nanorørene kolliderede med og fangede farvestofferne, at bringe farvestofferne ind i chloroformopløsningen. (Farvestofferne, på egen hånd, opløses ikke i chloroform.)

I lignende forsøg, Rzayev og hans team var i stand til at bruge nanorørene til at udtrække positivt ladede molekyler kaldet dendrimerer fra en vandig opløsning. Nanorørene blev fremstillet således, at dendrimerer med en diameter på 2,8 nanometer blev fanget, mens dendrimerer, der var 4,3 nanometer på tværs, blev efterladt i opløsning.

For at fjerne de fangede dendrimerer fra nanorørene, forskerne sænkede simpelthen pH i chloroformopløsningen, som lukker ned for den negative ladning inde i fælderne og tillader de opfangede partikler at blive frigivet fra deres bure.

Forskningen i nanorør er en del af en større række undersøgelser, som Rzayev udfører på flaskebørstemolekyler ved hjælp af en National Science Foundation CAREER-pris. Hans andet arbejde omfatter fremstilling af flaskebørste-baserede nanomembraner, der kunne tilpasses til vandfiltrering, og samling af lagdelte, flaskebørstepolymerer, der reflekterer synligt lys, som en sommerfugls vinger gør.