I denna potential-ytbild, den röda kurvan är en reaktionsväg. De rosa punkterna är de optimala BBP:erna, och de svarta punkterna är minima och övergångstillstånd. Gröna linjer är BBP -punkterna för alla möjliga Newtonbanor. Upphovsman:AIP Publishing
Den senaste utvecklingen inom atomkraftsmikroskopi har gjort det möjligt för forskare att tillämpa mekaniska krafter på enskilda molekyler för att inducera kemiska reaktioner.
Ett forskargrupp från Spanien och Tyskland har nu utvecklat en första i sitt slag algoritm som bestämmer den minimala kraft som krävs för att nå den optimala bindningsbrytningspunkten (BBP) på molekylär nivå för att mekaniskt framkalla en kemisk reaktion. De rapporterar sina resultat denna vecka i Journal of Chemical Physics .
Algoritmen kan appliceras på vilken molekyl som helst, inklusive biologiska molekyler som proteiner såväl som oorganiska molekyler. Deras forskning har implikationer för många tillämpningar, inklusive molekylära maskiner, mekaniskt fjädrande och självläkande polymerer, spänningsmottagande material och katalysatordesign. Algoritmen kan också användas för att utforska hur externa elektriska fält kan katalysera och kontrollera kemiska reaktioner.
När man studerar mekanokemiska processer, forskare letar efter det mekaniska svaret på reaktantmolekylens minimienergistruktur. När den yttre kraften ökar, minimala energi- och övergångstillståndsstrukturer på den kraftmodifierade potentiella energiytan blir identiska och strukturen där detta inträffar är den eftertraktade BBP.
Molekylär konfiguration av den optimala BBP för 1:an, 2-sigmatropisk H-skift-omläggning av cyklopentadien. Pilarna motsvarar komponenterna i gradienten vid denna tidpunkt. Upphovsman:AIP Publishing
"Vårt arbete visar att det finns ytterligare en uppsättning viktiga punkter på den potentiella energiytan för ett givet system, nämligen BBP, som måste beaktas för mekanokemiska tillämpningar, "sa Wolfgang Quapp, en medförfattare till tidningen som tillade att BBP är ett nytt koncept inom mekanokemi.
De optimala BBP:erna för en potentiell energiyta är avgörande, enligt Quapp, eftersom de ger information om hur dragkrafter bör appliceras för att utlösa kemiska transformationer med högsta möjliga effektivitet med minsta möjliga kraft.
Obligationen, böjning och vridning av en molekyl har varierande styvhet. Därför, bestämning av en molekyls kraftbärande ställning, att förutse, till exempel, punkten för bindningsbrott i en översträckt molekyl, betyder att olika riktningar av den yttre kraften bör testas.
"Vår algoritm gör det möjligt för forskare att identifiera vilken del av en molekyl som är mest mottaglig för mekanisk stress, och därmed är algoritmen ett viktigt steg i utformningen av mer effektiva sätt att utnyttja mekanisk energi för att aktivera kemiska reaktioner, "Quapp sa." Betydelsen av den optimala BBP ligger i att den ger den optimala riktningen och storleken på dragkraften. Detta kräver en algoritm för att enkelt hitta den här typen av punkter. "
Algoritmen är baserad på Newtons banor, som kommer från den matematiska metoden för att beräkna nollor för en funktion. När det gäller BBP:er, Newtons banor ligger nära reaktionsvägen för den kemiska reaktionen som övervägs.
