Molekyler är så små att vi inte ens kan se dem med vanliga mikroskop. Detta gör det svårt att studera molekyler eller kemiska reaktioner:forskare är begränsade till antingen indirekta observationer eller datormodeller. Ett team av forskare från University of Amsterdam och New York University har nu hittat ett sätt att bygga mikrometerstora modellmolekyler med hjälp av "fläckiga partiklar". Detta möjliggör en mycket mer direkt studie av molekylär dynamik. Resultaten publicerades i Naturkommunikation Denna vecka.

När vi lär oss kemi på gymnasiet, vi använder molekylmodelleringssatser där atomerna representeras av trä- eller plastkulor som du kan koppla ihop för att bilda molekyler. Dessa modelleringssatser hjälper oss att visualisera den rumsliga strukturen hos molekyler och föreställa oss hur de reagerar, men uppenbarligen sker inga egentliga kemiska reaktioner mellan trä- eller plastkulorna. Det visar sig nu att för mycket små bollar förändras denna situation dramatiskt.

Ett nytt modellkit

Även om molekylära modelleringssatser kan vara mycket användbara, det mesta av vår faktiska kunskap om molekyler uppstår på ett mycket mer indirekt sätt. Det kommer, bland andra, från mätningar av det strålningsspektrum som molekylerna absorberar. Till exempel, ett infrarött spektrum ger forskarna ett fingeravtryck av de molekylära vibrationerna från vilket de kan härleda molekylär sammansättning och struktur. En direkt syn på molekyler skulle ge omedelbar insikt i deras arrangemang, molekylära vibrationer och reaktioner. Dock, sådana direkta bilder utesluts av molekylernas ringa storlek och snabba rörelse. Det faktum att alla observationer av molekyler är indirekta, utmanar vår fantasi om de tredimensionella molekylära strukturerna och reaktionerna.

Det här problemet ledde till att fysiker och kemister vid University of Amsterdam och New York University hittade ett sätt att kombinera den enkla visualiseringen av vanliga molekylmodelleringssatser med den faktiska fysiken som pågår på sub-nanometerskalan av verkliga molekyler. I laboratorierna i Amsterdam, forskarna lyckades bygga "molekyler" från små mikrometerstora plastkulor, så kallade kolloidala partiklar, som producerades i labbet i New York. Partiklarna gjordes på ett sådant sätt att de attraherar varandra endast i vissa riktningar, modellera mycket exakt de specifika vinklarna mellan kemiska bindningar mellan atomer, som bestämmer hur atomerna ordnar sig till molekyler.

Dessa mikrometerstora partiklar kombinerar verkligen det bästa av två världar:de är tillräckligt små för att uppvisa de karakteristiska rörelser och vibrationer som molekyler upplever på grund av temperatur, men är precis tillräckligt stora för att kunna observeras och följas med ett vanligt mikroskop.

Atomer i, molekyler ut

För att imitera specifika typer av atomer, forskarna i Amsterdam använde tekniker som utvecklats under de senaste åren för att utrusta de kolloidala partiklarna med attraktiva fläckar där modellatomerna kunde "klicka" ihop. Antalet och konfigurationen av dessa fläckar avgör vilken typ av atom som modelleras – till exempel, att imitera kolatomer, forskarna gjorde partiklar med fyra fläckar i en tetraedergeometri, eller partiklar med två fläckar på motsatta sidor, reproducera bindningsvinklarna för två välkända bindningstillstånd av kolatomer. Utöver det – och det är här det nya kitet går långt utöver vanliga molekylära modeller – lyckades de finjustera interaktionerna mellan lapparna så att modellatomerna kunde bilda bindningar och splittras igen på exakt samma sätt som atomer gör. i verkliga kemiska reaktioner.

Modelleringssatsen visade sig fungera utmärkt. När flera modellatomer fördes samman, forskarna observerade att partiklarna verkligen bildade de "molekyler" som är välkända från kolkemin. Under ett mikroskop, analoger av molekyler som butyn och butan var synliga - molekyler som har sina huvudatomer ordnade längs en linje. Molekyler med ringliknande konfigurationer, som spelar en viktig roll i organisk kemi, skulle också kunna modelleras:strukturer som cyklopentan (en molekyl med en ring med fem kolatomer) och cyklohexan (med en ring av sex sådana atomer) kunde observeras.

Rynkning och katalys

På grund av den större storleken på modellmolekylerna, forskarna kunde följa deras bildning och inre rörelse i realtid och i detalj. Detta gjorde det möjligt för dem att direkt se fenomen som bara var kända för att inträffa från indirekta observationer. Till exempel, för fematoms ringstrukturen av cyklopentan, de observerade direkt den karakteristiska "rynkande" rörelsen hos de ingående atomerna:cyklopentanringen är inte fixerad i ett enda plan, men det deformeras så att beståndsdelar rör sig in och ut ur det planet. Anledningen till detta beteende är att de naturliga vinklarna mellan atomerna inte exakt matchar de vinklar som behövs för att göra en platt fematomsring, och som ett resultat måste en atom alltid ryckas ut ur planet. Än så länge, den resulterande rynkande rörelsen hade endast observerats genom indirekta spektroskopiska mätningar, men nu kunde forskarna se det hända framför deras ögon, följa rörelsen direkt i verklig tid och rum. De fann att vändningarna inträffade kollektivt:upp- och nedrörelsen hos en partikel påverkade den hos alla andra partiklar i ringen.

Med samma molekyl, forskarna kunde sedan observera hur kemiska reaktioner gick till. Ringen observerades öppna upp och fästa till andra molekyler - en effekt som kunde förstärkas genom att lägga till en attraktiv yta till uppställningen. Det är, ytan fungerade som en katalysator, ge insikt – bokstavligen – i vad som händer under sådana katalytiska reaktioner.

Tillräckligt liten men tillräckligt stor

Självklart, mikrometerstorleken på modellatomerna är fortfarande en faktor 1000 eller så större än subnanometerstorleken på faktiska atomer, men poängen är att de är tillräckligt små för att genomgå slumpmässiga termiska rörelser, och det är detta som gör att kemiska reaktioner inträffar. Som Richard Feynman uttryckte det i sina föreläsningar, "Allt som levande varelser gör kan förstås i termer av atomernas jiggling och vickling"; och det är just dessa jigglingar och vicklande, tydligt observerbar när man tittar på de kolloidala atomerna med ett mikroskop, som skiljer det mikrometerstora molekylmodelleringssetet från dess motsvarighet som vi känner från gymnasiet.

Således, modelleringssatsen är ett mycket användbart verktyg för att direkt observera "molekyler" i deras naturliga livsmiljö, och bör ha många användbara applikationer. Förutom att ge en attraktiv visualisering av molekyler, resultaten ger insikt i geometriska katalysatorers verkan på molekylära reaktioner. Vidare, Tillgängligheten av de nya små byggstenarna öppnar dörren till utformningen av komplexa nya material, direkt under mikroskopet, med en mängd applikationer allt från konstgjord vävnad för t.ex. medicinska ändamål till funktionella nanostrukturer som kan användas inom teknik.