Vik din egen nanokub! Även om nanokuberna som används i forskningsprojektet bygger själva, du kan vika din egen med denna modell. Varje gult X representerar platser där forskare vid University of Tokyo använde olika atomer med olika nivåer av polariserbarhet. Kredit:Shuichi Hiraoka, CC-BY-ND
Processen att bygga en liten kub har avslöjat några av de grundläggande mysterierna om hur molekyler binder samman i naturliga miljöer. Forskare hoppas kunna tillämpa denna kunskap i framtida projekt som designar komplexa strukturer som kan efterlikna livet.
När två molekyler omgivna av vatten rör sig mot varandra, en del av deras ursprungliga attraktion beror ibland på den kemiska kraften att stöta bort vatten - den hydrofoba effekten.
När molekylerna är nära varandra, men ännu inte formellt bunden, en mycket svagare kraft blir viktig – spridningskraften.
"Vår dröm är att kontrollera spridningskraften och tillhandahålla en enkel designprincip för att använda spridningskraften för att bygga komplexa självmonterande strukturer, " sa professor Shuichi Hiraoka, ledare för laboratoriet där forskningen utfördes vid University of Tokyo Department of Basic Science.
Dispersionskrafter är en typ av van der Waals-krafter, några av de svagaste kemiska interaktionerna som är kända i naturen. Även om det är svagt, van der Waals krafter är viktiga; de hjälper geckos att gå uppför väggar och identifierades tidigare 2018 av samma forskargrupp som att låsa ihop de redskaps- eller snöflingorformade molekylerna i de självmonterande nanokuberna.
Mätning av spridningskraften under naturliga förhållanden, som när molekyler är i lösning med vatten, har varit omöjligt. Kraften är så svag att den inte kan identifieras separat från de andra krafterna som spelar.
Dock, i nya experiment, forskargruppen använde sina självmonterande nanokuber som verktyg för att förstärka skillnaderna i spridningskraften.
Molekylerna som utgör sidorna av kuberna modifierades för att innehålla atomer utvalda för deras polariserbarhet, vilket betyder deras lyhördhet för det omgivande elektriska fältet. Varje helt sammansatt nanokub innehöll 18 av dessa polariserbara atomer.
Den kombinerade effekten av 18 atomer räckte för att skapa mätbara skillnader i dispersionskraften beroende på vilken polariserbar atom som var fäst.
Den färdigmonterade nanokuben visas i den här illustrationen. Varje gult X är en plats där forskare vid University of Tokyo använde olika atomer utvalda för deras polariserbarhet. Den kombinerade effekten av 18 atomer med variabel polaritet i varje nanokub gjorde det möjligt för forskare att mäta skillnader i spridningskraften. Kredit:Shuichi Hiraoka, CC-BY.
Dispersionskraften beräknas matematiskt efter användning av en teknik som kallas isotermisk titreringskalorimetri för att mäta mängden värme som släpps ut när molekyler binder samman.
Mer polariserbara atomer skapade starkare spridningskrafter och gjorde nanokuberna mer stabila. Beroende på det uppskattade värdet av den hydrofoba effekten, dispersionskraften bidrar med 0,6 till 2,2 gånger större attraktionskraft och stabilitet till kuben än den hydrofoba effekten.
Forskare planerar att använda denna kunskap om mer polariserbara atomer som skapar starkare spridningskrafter för att designa framtida artificiella molekylära strukturer med mer komplexa former och ökade funktioner.
"Till exempel, vi skulle kunna designa molekyler med större bindningsytor och placera polära atomer längs kanterna för att förbättra den totala stabiliteten genom attraktionen av dispersionskrafter, " sa Hiraoka.
Att lösa ett mysterium inom drogdesign
Hiraoka uppger att mätningarna för nanokuber byggda med normalt väte jämfört med deuterium, den "tunga" isotopen av väte, bör vara relevant för teorin om läkemedelsdesign. Forskning från andra grupper hade lett till motstridiga rapporter bland kemister om huruvida byte av väte med dubbelt så tungt och större deuterium skulle skapa starkare spridningskraft.
Som en generell regel, större atomer är mer polariserbara och forskare hade nya data som tydde på ökad polariserbarhet ledde till starkare spridningskrafter. Dock, i vissa fall gör det mindre vätet faktiskt en starkare spridningskraft än tungt deuterium, men andra rapporter visade motsatsen eller försumbar liten skillnad mellan de två atomerna.
"I våra experiment, entropi-entalpiskillnaden är helt balanserad. Den fria energin som frigörs av nanokuber med väte eller deuterium är i huvudsak identisk, så det kan inte vara någon skillnad mellan dem, " sa Hiraoka.
En väsentlig skillnad mellan tidigare forskning och dessa experiment är att UTokyo-teamet använde ett mer naturtroget tillstånd att vara i lösning med vatten och förstärkte effekten med nanokubdesignen.
