Det finns alltid en anledning till hur molekyler bildas och hur de formas. När forskarna väl förstår bindningarna i molekyler, de kommer på sätt att använda materialen de bildar på bästa sätt, låsa upp nya innovationer för vetenskap och teknik.

Men det finns en bindning som fick forskarna att störa – bindningen mellan vissa typer av metaller och kol. Professor i kemi Timothy Hanusa och Ph.D. Student Ross Koby satte sig för att replikera denna unika typ av bindning med hjälp av modelleringsteknik.

"Om vi ​​kunde få de molekylära modellerna att bilda samma form som molekylerna gör i verkligheten, vi skulle kunna förstå varför bindningarna bildas i sådana oregelbundna former, sa Hanusa.

Genom att ändra modelleringsberäkningarna och införliva ytterligare data, teamet hittade nya faktorer som förklarade bildningen, utmanar befintliga teorier. De beskrev nyligen sina upptäckter för webbplatsen Science Trends.

Metall- och kolbindningarna i fråga förekommer i föreningar som ser ut som Oreo-kakor:i mitten finns metallen, och det är omgivet på båda sidor av ringar av kol. Precis som med en Oreo-kaka, ringarna är vanligtvis parallella och balanserade, hålla de negativt laddade ringarna så långt borta från varandra som möjligt. Men i vissa av dessa föreningar, speciellt med sällsynta jordartsmetaller som samarium eller tyngre metaller som kalcium och strontium, ringarna sluttar mot varandra, böjs så att de nästan rör vid ena sidan.

När det gäller de sällsynta jordartsmetallerna, detta kan förklaras av kovalent bindning - de två sidorna av molekylen delar elektroner fram och tillbaka, i ett mönster som en 8-figur som har vikts över i mitten.

Men för de tyngre metallerna med en mer jonbindning, där atomer drar till sig som två sidor av en magnet, de negativt laddade sidorna ska stöta bort varandra.

Forskare har tidigare förklarat detta med något som kallas fenomenet dispersionsinteraktion, vilket innebär att även atomer som stöter bort i omedelbar närhet faktiskt attraheras av varandra på längre avstånd. Det är en svag interaktion som inte alltid tas med i modelleringstekniken särskilt väl.

Hanusa och Koby testade denna teori genom att göra några stora förändringar i modelleringsberäkningar. Först, de använde mer fullständiga beskrivningar av elektronerna i molekylernas metallcentrum (gräddfyllningen i kakan) för att se om de kunde påverka bindningen eller orsaka böjningen.

Nästa, de använde en ny beräkning som är helt spridningsfri. Medan gamla modeller kan ha inkluderat effekten av spridning eller inte, den nya modellen upphäver effekten absolut. På det sättet, forskare kan köra modellerna utan spridning, och slå sedan på den igen för att se hur modellen förändras.

Det de hittade med den nya modellen bekräftade teorin om att sällsynta jordartsmetall-/kolbindningar är i den mer kovalenta änden av spektrumet. Dessa molekyler böjdes naturligt även när dispersionseffekten stängdes av.

Men tungmetall/kolmolekylerna visade något nytt. De molekylära modellerna böjde sig även utan dispersionseffekten - inte lika mycket som i verkligheten, men tillräckligt för att visa att elektronerna i mittmetallen orsakade en viss böjning. När spridningseffekten också var påslagen, de molekylära modellerna böjde sig precis som de riktiga molekylerna gör. Det betyder att både dispersion och kovalenta effekter får denna molekyl att böjas.

De nya beräkningarna visar hur dispersion och kovalenta effekter kan samverka för att förändra strukturen hos molekyler. Detta har betydande implikationer inom många områden av kemin, från att bestämma vätskors kokpunkter till att påverka proteinveckningen. Tack vare denna nya forskning, forskare kan nu beskriva molekyler mer exakt och förstå varför de beter sig och reagerar på vissa sätt.