Forskare inom supramolekylär kemi stöter ofta på överraskande resultat. En bruten försegling av en labbkyvett ledde en amerikansk forskare vid Eindhoven University of Technology till ursprunget till dessa oförklarliga resultat:vädret. Eller luftfuktigheten, för att vara mer exakt, eftersom detta bestämmer vattenkoncentrationen i oljor som används som lösningsmedel, som tidigare ansågs vara försumbar. Forskning visar nu att de ensamma vattenmolekylerna i olja inte bara är åskådare, de styr bestämt supramolekylära processer. Detta resultat innebär att mycket av tidigare forskning måste omprövas, men också att kemister får en ny, billigt och kraftfullt verktyg. Resultaten publiceras i Natur .

I september 2016 tillbringade postdoktorn Nathan van Zee en vecka med sina föräldrar i Florida. Men hans tankar ledde honom ofta tillbaka till hans labb i Nederländerna eftersom han hade kämpat ganska länge med oberäkneliga resultat som han inte förstod. De molekylära spiralerna som han syntetiserade hade ibland en medurs struktur och ibland en moturs struktur. Detta är en viktig skillnad – t.ex. det kan göra skillnaden mellan ett läkemedel som fungerar och ett läkemedel som inte gör det. Van Zee hade redan provat alla möjliga saker, men kom inte närmare svaren.

Efter flygningen tillbaka från USA gick han omedelbart till sitt laboratorium för att starta ett nytt experiment, varefter han ville ta en tupplur. Men hans jetlag fick honom att använda fel inställningar för instrumentet, och han försov sig. Hans eureka ögonblick, vilket så småningom skulle leda till en Natur offentliggörande, kom dagen efter. Tillbaka i labbet såg han konstiga resultat. Men han såg också att förseglingen på hans labbkyvett var bruten, och den ultratorra luften från den omslutande provhållaren hade kommit in i den. Detta gav honom en viktig ledtråd:hans prov hade blivit torrare, antyder att vattenhalten i lösningsmedelsoljan är en drivkraft.

Van Zee och hans handledare Bert Meijer visste omedelbart att de var inne på något viktigt, och de bestämde sig för att gå till botten med det. De upptäckte att det verkligen var vattenkoncentrationen i provet som gjorde skillnaden, trots att det bara var några få ppm (parts per million). Även med extremt små fluktuationer i vattenkoncentrationen, de observerade att helixrotationen ändras från medurs till moturs.

Detta resultat fick forskarna att titta närmare på några av deras tidigare arbeten som hade oförklarliga resultat. Det visade sig att även i dessa tester var vattenkoncentrationen avgörande för utfallet. De tidigare oförklarliga förändringarna i resultaten orsakades av fluktuationer i vattenhalten i det oljebaserade lösningsmedlet. För det innehållet fluktuerar med luftfuktigheten. Och luftfuktigheten – inomhus och utomhus – förändras ständigt på grund av vädret. Konsekvensen är att en testkörning på dag A kan få helt olika resultat från exakt samma testkörning på dag B.

Van Zee och hans kollegor avslöjade också hur den lilla vattenkoncentrationen kan ha så stor inverkan. Vattenmolekyler är polära:ena sidan är negativt laddad och den andra positivt. Det är därför de gillar att knyta an, via så kallade vätebindningar. Men olja är hydrofob:den stöter bort vatten. Denna avstötning lämnar för lite utrymme för vattenmolekylerna i oljan att binda med andra vattenmolekyler; de är isolerade. Det betyder att deras potentiella energi för att bilda nya vätebindningar är tillgänglig för andra ändamål. Eindhovenforskarna har visat att denna vattenenergi spelar en avgörande roll i bildandet av supramolekylära strukturer. Dessa är molekylära aggregat baserade på reversibla bindningar, till exempel vätebindningar.

Deras resultat lägger en stor börda på såväl deras eget vetenskapsområde som närliggande. Mycket kemi görs i olja, så mycket tidigare forskning kommer att behöva omvärderas för att bedöma effekten av vatten. Forskarna misstänker att många tidigare rapporter om oförklarade fenomen, oavsett om det ändras i struktur, storlek eller bearbetning, beror i grunden på interaktioner med vatten.

Å andra sidan förser forskarteamet i Eindhoven kemister över hela världen med ett fantastiskt nytt instrument, Van Zee förklarar. "Vattenkoncentrationen visar sig ha ett mycket starkt inflytande. Och man kan lätt kontrollera det, genom att manipulera luftfuktigheten, vilket är ganska enkelt i en sluten miljö. Vi tror att det kommer att bli mycket uppföljande forskning även inom andra kemiområden."