Även om knutar kan vara till besvär, de är också mycket användbara när det gäller att knyta upp dina snören eller när du ska segla. I matematik, det finns inte mindre än 6 miljarder olika potentiella knutar, men hur är det med knutar i kemi? Sedan 1970-talet, forskare har försökt knyta ihop molekyler för att skapa nya, skräddarsydda mekaniska egenskaper som skulle kunna ge upphov till nya material. De första framgångarna ägde rum 20 år senare, men processen förblir mödosam.

I dag, forskare från universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, har utvecklat en enkel och effektiv teknik för att knyta knutar i molekyler, och har för första gången observerat de förändringar i egenskaper som följer av dessa förreglingar. Resultaten, publiceras i tidskriften Kemi—A European Journal , öppna upp för nya perspektiv för att designa material och överföra information molekylärt.

Knutar är säkert användbara. Men hur är det med kemi? Är det möjligt att binda samman molekyler? Idén dök upp först 1971 med syftet att skapa nya material som inducerades av förändringarna i mekaniska och fysikaliska egenskaper som skulle bli resultatet av dessa sammanlåsningar. Men det var inte förrän 1989 som Jean-Pierre Sauvage, den franska 2016 års Nobelpristagare i kemi, lyckades. Forskare har därefter arbetat hårt med att försöka bilda knutar men det är fortfarande utmanande.

"För att binda samman molekyler, du måste använda metaller som fäster vid molekylerna och riktar dem på en mycket specifik väg, bildar de korsningar som behövs för att göra knutar, " förklarar Fabien Cougnon, en forskare vid institutionen för organisk kemi vid UNIGE:s naturvetenskapliga fakultet. "Men det är en komplex process som ofta resulterar i en förlust av råmaterial på över 90%. Den resulterande mängden molekylära knutar är vanligtvis bara några milligram högst, inte tillräckligt för att göra nya material."

Hydrofoba molekyler som binder ihop på egen hand

UNIGE-kemisterna utvecklade en ny teknik som gör det möjligt att enkelt skapa sammankopplade molekyler. "Vi använder fettmolekyler som vi blötlägger i vatten uppvärmt till 70 grader. Eftersom de är hydrofoba, de försöker fly vattnet till varje pris, samla ihop och bilda en knut med hjälp av självmontering, " säger Tatu Kumpulainen, en forskare vid Fysikalisk-kemiska institutionen vid UNIGE:s naturvetenskapliga fakultet.

Tack vare denna nya teknik, de Genève-baserade kemisterna kan göra molekylära knutar utan ansträngning, och – ännu viktigare – utan att förlora något material. "Vi omvandlar upp till 90 % av de grundläggande reagenserna till knutar, vilket innebär att vi kan överväga en verklig analys av förändringarna i de mekaniska egenskaperna som induceras av knutarna, som aldrig har gjorts förut, " konstaterar Cougnon. Även om de inte kan välja hur molekylerna knyts ihop, de kan reproducera samma knut efter behag, eftersom samma kemiska struktur alltid kommer att bilda en identisk knut i vattenhaltig miljö.

Varje knut har sina egna mekaniska egenskaper

Nu när det har blivit lätt att knyta molekyler, vad kan forskare göra med dessa knutar? Finns det något värde i att forma dem? För att kontrollera påverkan av förreglingarna, Genèvekemisterna valde en familj av molekyler som alla har samma design:de absorberar ultraviolett ljus, är fluorescerande och är mycket känsliga för den allmänna miljön, särskilt närvaron av vatten.

"Vi skapade fyra knop, från det enklaste till det mest komplexa (noll, två, tre och fyra korsningar), som vi jämförde med en referensmolekyl som utgör deras bas, " förklarar Cougnon. "För att göra detta, vi använde först kärnmagnetisk resonans (NMR) för att observera styvheten hos de olika delarna av knutarna och hastigheten och hur de rör sig i förhållande till varandra." Forskarna fann en första förändring i mekaniska egenskaper:ju mer komplexa knutarna är, ju mindre de rör sig.

Kemisterna använde därefter spektroskopi för att jämföra spektra av de fyra knutarna med varandra. "Vi märkte snart att de lösare enkelknutarna (noll och två skärningar) betedde sig på samma sätt som referensmolekylen, " fortsätter Kumpulainen. "Men när knutarna är mer komplexa, molekylerna – som var tätare – ändrade sina fysikaliska egenskaper och färg! Deras sätt att absorbera och sända ut ljus skilde sig från referensmolekylen." Denna förändring i färg gör att forskarna kan visualisera de mekaniska egenskaperna som är specifika för varje sammansättning, inklusive dess elasticitet, strukturera, rörelse eller position.

För första gången, Genèvekemisterna har visat att knutna molekyler förändrar mekaniska egenskaper. "Vi vill nu kunna kontrollera dessa förändringar från A till Ö så att vi kan använda dessa knutar, till exempel, som indikatorer för miljöns egenskaper, " säger Kumpulainen. Nu när det inte sker någon förlust av material när man gör korsningarna, de planerar också att bygga nya material, som resår, med hjälp av knutarnas nätverk. "Äntligen, vi kan överväga att överföra information inuti en knut tack vare en enkel ändring av position på en del av knuten som skulle återspeglas i hela strukturen och förmedla informationen, avslutar Cougnon.