Sticky bølger - molekylære interaktioner på nanoskala

Ligesom gravitationskræfterne, der er ansvarlige for tiltrækningen mellem Jorden og månen, samt dynamikken i hele solsystemet, der eksisterer tiltrækningskræfter mellem objekter på nanoskalaen.

Det er de såkaldte van der Waals-styrker, som er allestedsnærværende i naturen og menes at spille en afgørende rolle i at bestemme strukturen, stabilitet og funktion af en bred vifte af systemer inden for biologi, kemi, fysik og materialevidenskab.

"For at sige det enkelt, ethvert molekylært system og ethvert materiale i naturen oplever disse kræfter, " sagde Robert A. DiStasio Jr., adjunkt i kemi og kemisk biologi ved College of Arts and Sciences. "Faktisk, vi oplever, at deres indflydelse er ret omfattende, og inkluderer protein-lægemiddel-interaktioner, stabiliteten af ​​DNA-dobbelthelixen, og endda de ejendommelige vedhæftningsegenskaber for gekkoens fod."

Sammenlignet med den kovalente binding (som involverer deling af elektronpar mellem atomer), van der Waals kræfter er relativt svage og opstår fra øjeblikkelige elektrostatiske interaktioner mellem de fluktuerende elektronskyer, der omgiver mikroskopiske objekter. Imidlertid, disse kræfter er stadig af kvantemekanisk oprindelse og har hidtil udgjort en væsentlig udfordring for både teori og eksperimenter.

I et papir i 11. marts-udgaven af Videnskab , DiStasio og samarbejdspartner Alexandre Tkatchenko fra University of Luxembourg og Fritz Haber Institute har fremsat et nyt forslag til beskrivelse af van der Waals-kræfter blandt objekter på nanoskala.

Generelt sagt, der er to tankegange vedrørende disse kræfter. Den fremherskende beskrivelse af van der Waals interaktioner blandt de fleste kemikere og biologer er billedet af to inducerede elektriske dipoler, svarende til N- og S-polerne af en magnet, repræsenterer de ujævne fordelinger af positive og negative ladninger. Billedet, som mange fysikere støtter, imidlertid, centreret omkring det faktum, at bølgelignende vakuumsvingninger er ansvarlige for van der Waals-interaktionerne mellem større makroskopiske objekter.

I deres arbejde, DiStasio og Tkatchenko demonstrerer, at disse fundamentale kræfter mellem nanostrukturer også skal beskrives ved de elektrostatiske interaktioner mellem bølgelignende (eller delokaliserede) ladningstæthedsudsving i stedet for de førnævnte partikellignende (eller lokale) inducerede dipoler. De mener, at deres arbejde kunne hjælpe med at bygge bro mellem disse to trossystemer, og hjælpe videnskabsmænd med at forstå og kontrollere interaktionerne mellem objekter på nanoskala.

"Vores arbejde viser, at der er et meget bredere udvalg af systemer, såsom nanostrukturerede systemer, hvor du skal tænke på van der Waals-kraften i form af interaktioner mellem bølger i stedet for interaktioner mellem partikler, " sagde Tkatchenko.

Paul McEuen, John A. Newman professor i fysisk videnskab og direktør for Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, ser duoens forskning som et vigtigt første skridt i en lang, kompliceret rejse til, hvad McEuen halvt i spøg karakteriserede som "løsningsbiologi".

"Det lyder som et ret kedeligt problem, men det er faktisk et dybt vigtigt problem, måden biomolekyler samles på og så videre, " sagde McEuen. "Det er et enormt vigtigt problem, især for en som mig, hvem er en nano-fyr, men det kommer til at tage tid at løse."

McEuen er begejstret for arbejdet, og sagde, at han og DiStasio forventer at samarbejde om relateret forskning i fremtiden.

"Dette arbejde giver en konceptuel ramme, eller fælles sprog, at biologer, kemikere, fysikere og materialeforskere kan bruge til at beskrive van der Waals kræfter på nanoskala, " sagde DiStasio. "Det giver også en beregningsramme til nøjagtigt at forudsige, hvordan disse allestedsnærværende interaktioner påvirker de fysiske og kemiske egenskaber af stof."