Forskere opdager, at svage kemiske interaktioner holder kassen med uendelige muligheder sammen

Forskere har identificeret de svage molekylære kræfter, der holder sammen en lille, selvmonterende kasse med stærke muligheder. Undersøgelsen demonstrerer en praktisk anvendelse af en kraft, der er almindelig i biologiske systemer, og fremmer forfølgelsen af ​​kunstigt kemisk liv.

"Jeg vil forstå selvmonteringssystemer, som er afgørende for livet. At bygge kunstige selvmonterende terninger hjælper os med at forstå, hvordan biologiske systemer fungerer, "sagde professor Shuichi Hiraoka, leder af laboratoriet ved University of Tokyo Graduate School of Arts and Sciences, hvor æskerne blev designet, bygget, og analyseret.

Dannelsen af ​​DNA og proteiner er biologiske eksempler på selvsamling, men de kræfter eller processer, der styrer, hvordan disse naturlige molekyler kommer sammen, forbliver også udefinerede. Undersøgelser fra Hiraokas team bidrager til kemisk forståelse af, hvordan naturlige molekyler kan samle sig selv og afsløre teknikker til efterligning af disse processer i fremtiden.

Hiraoka og hans team identificerede kræfterne, der holdt siderne af deres små kasser sammen som van der Waals styrker, hovedsageligt spredningskræfter. Disse kræfter er svage attraktioner mellem molekyler skabt, når elektroner midlertidigt grupperer sig på den ene side af et atom. Geckos kan gå op ad vægge delvis på grund af van der Waals kræfter.

Hver side af terningen er dannet af et molekyle, der er 2 nanometer i diameter og formet som et sekspidset snefnug. Hver side er cirka en fjerdedel af en menneskelig blodcelle. De svage kræfter, der holder siderne af terningen sammen, gør boksen lidt fleksibel, så den tilpasser sig bedst til at rumme gæstemolekyler baseret på deres størrelse, form, og atomladning. Boksen kan bule til at rumme stort eller langt indhold og trække sig sammen for at fjerne ekstra plads, når der er vært for gæstemolekyler med negative ladninger.

"Vi har ikke dataene endnu, men den logiske konklusion er, at lange kædelignende gæstemolekyler på en eller anden måde foldes for at komme ind i kassen, "sagde Hiraoka.

Forskere bygger den lille kasse ud af molekyler af hexaphenylbenzen. De enkelte molekyler eksisterer som en tør, hvidt pulver. Når det blandes med vand, molekylerne samler sig spontant i terninger.

"I løsningen, de seks molekyler kommer så hurtigt sammen, at vi ikke kan observere, hvordan de danner terninger. Den nøjagtige proces med selvmontering forbliver et mysterium, "sagde Hiraoka.

En terning, der kan samles i vand, har potentiale til fremtidige biologiske anvendelser. Hexaphenylbenzenterningen holder også sammen selv over vandets kogetemperatur, forbliver stabil op til 130 grader Celsius (266 grader Fahrenheit).

De seks punkter i de snefnugformede hexaphenylbenzenmolekyler låses sammen, når de samles til en terning. Forskere beskriver designet af denne molekylære kasse som ligner den japanske træforbindelsesteknik kaldet hozo , hvor træstykker holdes sammen uden lim eller hængsler kun ved hjælp af indviklede sammenlåsende designs.

Undersøgelsen er offentliggjort i Naturkommunikation .