Steve Granick, Direktör för IBS Center for Soft and Living Matter och Dr Huan Wang, Senior forskare, rapportera tillsammans med 5 tvärvetenskapliga kollegor i 31 juli-numret av tidskriften Vetenskap att vanliga kemiska reaktioner påskyndar Brownsk diffusion genom att skicka långväga krusningar i det omgivande lösningsmedlet.

Fynden bryter mot en central dogm inom kemin, att molekylär diffusion och kemisk reaktion inte är relaterade. Att observera att molekyler får energi genom kemisk reaktion är "nytt och okänt, " sade Granick. "När en substans omvandlas till en annan genom att bryta och bilda bindningar, detta gör faktiskt att molekylerna rör sig snabbare. Det är som om de kemiska reaktionerna rör sig naturligt."

"För närvarande, naturen gör ett utmärkt jobb med att producera molekylära maskiner men i den naturliga världen har forskare inte förstått tillräckligt väl hur man designar denna egenskap, ", sa Wang. "Bortom nyfikenhet att förstå världen, vi hoppas att detta praktiskt taget kan bli användbart för att vägleda tankar kring omvandling av kemisk energi för molekylär rörelse i vätskor, för nanorobotik, precisionsmedicin och grönare materialsyntes."

De oväntade krusningarna som genereras av kemiska reaktioner, speciellt när de katalyseras (accelereras av ämnen som inte själva konsumeras), föröka sig på lång räckvidd. För kemister och fysiker, detta arbete utmanar lärobokens syn på att molekylär rörelse och kemisk reaktion är frikopplade, och att reaktioner endast påverkar den närliggande närheten. För ingenjörer, detta arbete visar ett kraftfullt nytt tillvägagångssätt för att designa nanomotorer på verkligt molekylär nivå.

Screening av 15 organiska kemiska reaktioner, forskarna studerar kemiska reaktioner som är arbetshästar med bred tillämpning inom den organiska kemikalien, läkemedels- och materialindustrin. Till exempel, "klick"-reaktioner hjälper sammansättningen av bibliotek av biomedicinska föreningar för screening och Grubbs-reaktionen används för plasttillverkning. Deras ekonomiska inverkan är stor. Uppskattningar tyder på att en majoritet av alla tillverkade produkter kräver katalys någonstans i sin produktionssekvens.

Wang anmärkte med entusiasm "Nu, vi är som en bebis som tar sina första steg och det finns så många spännande möjligheter att odla den här bebisen."

När de utformade sin studie, forskarna var bioinspirerade av att märka att rörelse kan drivas av enzymer och andra molekylära motorer som är vanliga i levande system. Banbrytande tidigare arbete av Dr Ah-Young Jee i samma forskningscenter visade detta. Men det fanns ingen konsensus bland forskare om dessa rapporter korrekt kunde förlängas utanför biologin. Analysera problemet, forskarna gjorde en högrisk, argument för hög utdelning. De antog att fenomenet skulle bilda ett sätt att förstå molekylära maskiner i den verkliga världen.

Testar deras hypotes, teamet utvecklade nya analytiska tekniker. Professor Tsvi Tlusty, en teoretiker, förutspådde att katalysatorer i reaktionsgradienter skulle migrera "uppför" i riktning mot mindre diffusivitet. Professor Yoon-Kyoung Cho, en mikrofluidikexpert, designade ett skräddarsytt mikrofluidikchip för att testa denna idé. Dr Ruoyu Dong, en forskare, utfört numeriska datorsimuleringar. "Vårt tvärvetenskapliga team reagerade otroligt snabbt på forskningsmöjligheterna, tack vare forskningsfriheten från Korean Institute for Basic Science, sa Granick.

Teamet presenterar riktlinjer som visar att storleken på diffusionsökningen i olika system beror på energifrisättningshastigheten. Dessa riktlinjer kan vara praktiskt användbara för att uppskatta effekten av ännu oprövade reaktioner. Utöver detta, studien är mycket användbar för att utöka förståelsen av aktivt material, ett samlingsbegrepp som traditionellt syftar på saker som celler och mikroorganismer.

Granick avslutade:"Fältet för aktiva material, ganska ny och växer snabbt, berikas av denna upptäckt att kemiska reaktioner beter sig som nanosimmare gjorda av individuella molekyler som rör upp reaktionssoppan. Konceptet med aktiva material har visat sitt värde i att utmana en central dogm inom kemin."

Dessa resultat publicerades den 31 juli, 2020 års nummer av Vetenskap tidskrift. Studien utfördes vid IBS Center for Soft and Living Matter av författarna Huan Wang, Myeonggon Park, Ruoyu Dong, Junyoung Kim, Yoon-Kyoung Cho, Tsvi Tlusty, och Steve Granick.