Gengivelse af naturens kemi:Forskere ændrer molekylære egenskaber på en ny måde

I deres søgen efter molekyler med visse egenskaber, kemikere har produceret millioner af nye, stadig mere komplekse syntetiske materialer ved at ændre molekylers kemiske strukturer.

Tager spor fra naturen, Forskere fra Northwestern University har for nylig testet en ny metode til at opnå de molekylære egenskaber, de søger:ved at ændre geometrien på overfladen, som molekyler er bundet til.

"I årevis har kemikere lavet molekyler til at løse problemer - hver især mere syntetisk kompliceret end den sidste - men vi er stadig ikke kommet tæt på at opnå, hvad naturen kan med meget enklere kemi, sagde Bartosz A. Grzybowski, Kenneth Burgess Professor i kemisk og biologisk teknik og kemi ved Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science. "Naturens mest komplekse komponent i livet, proteinet, er fremstillet af kun 21 simple aminosyrer. Denne forskning undersøger ideen om, at det ikke er det molekyle, du har, der er vigtigt, det er, hvordan det interagerer med sit miljø. "

Ved hjælp af denne idé, forskerne udviklede en teknik, hvor en enkelt type molekyle placeres på nanopartikler med to forskellige krumningsområder. Selvom molekylerne er atomisk identiske, de viser unikke kemiske egenskaber afhængigt af hvilken krumningsregion de er bundet til.

Et papir, der beskriver forskningen, "Geometrisk krumning styrer den kemiske ujævnhed og selvsamling af nanopartikler, "blev udgivet 18. august i Naturnanoteknologi .

Forskerne begyndte med at anbringe molekyler af en carboxylsyre på forskellige punkter på flere guldnanopartikler, nogle så små som fem nanometer i diameter. Hver nanopartikel havde en anden geometri. På nanopartikler, der udviser en større krumning, molekylerne var naturligt adskilt far fra hinanden; på nanopartikler med mere gradvis krumning, de var tættere på hinanden.

Forskellene i krumning påvirker afstanden mellem molekylerne, gør det muligt for forskerne at fremkalde såkaldt "patchiness" på cylindriske og håndvægtformede nanopartikler. I det væsentlige, molekylerne kan "føle" hinanden gennem frastødende elektrostatiske interaktioner og, når carboxylsyrerne deproneres, vanskeligheden ved at tilføje flere ladninger til nanopartiklerne styres af, hvor overfyldte molekylerne er. Disse "uklare" nanopartikler kan interagere og samle sig selv retningsbestemt, efterligne kemiske molekylære bindinger - og, fandt forskerne, ændres, når ladningen af ​​disse vedhæftede molekyler ændres.

"Ændring af molekylære egenskaber ved at ændre miljøer i stedet for molekylær struktur kunne få forskere til at opnå mere med et mindre bibliotek af allerede eksisterende molekyler, og kunne tilbyde alternativer til kemiske processer, der ofte kræver giftige kemikalier, "sagde David Walker, en kandidatstuderende i McCormicks afdeling for kemisk og biologisk teknik og papirets første forfatter.

Krumningsfænomenet er specifikt for nanoskalaen, hvor det meste af kemien i biologiske systemer udføres, og begynder at mislykkes for nanopartikler over 10 nanometer i diameter, sagde forskerne. "Større partikler har krumninger, der er for subtile til, at molekylerne kan mærke effekten - svarende til, hvordan mennesker kan opfatte Jorden som flad, selvom vi nu ved bedre, "Sagde Walker.

Forskerne arbejder i øjeblikket på at udvide arbejdet til at omfatte andre klasser af molekyler, der kan være gavnlige for katalyse og energiformål.