I deras jakt på molekyler med vissa egenskaper, kemister har producerat miljontals nya, alltmer komplexa syntetiska material genom att förändra molekylernas kemiska strukturer.
Ta ledtrådar från naturen, Northwestern University forskare har nyligen testat en ny metod för att uppnå de molekylära egenskaper de söker:genom att ändra geometri på ytan till vilken molekyler är bundna.
"I åratal har kemister gjort molekyler för att lösa problem - var och en mer syntetiskt komplicerad än den förra - men vi har fortfarande inte kommit nära att uppnå vad naturen kan göra med mycket enklare kemi, säger Bartosz A. Grzybowski, Kenneth Burgess Professor i kemisk och biologisk teknik och kemi vid Northwestern McCormick School of Engineering and Applied Science. "Naturens mest komplexa del av livet, proteinet, är tillverkad av endast 21 enkla aminosyror. Denna forskning undersöker tanken att det inte är molekylen du har som är viktig, det är hur det interagerar med sin omgivning. "
Med denna idé, forskarna utvecklade en teknik där en enda typ av molekyl placeras på nanopartiklar med två olika krökningsregioner. Även om molekylerna är atomiskt identiska, de visar unika kemiska egenskaper beroende på vilken krökningsregion de är bundna till.
Ett papper som beskriver forskningen, "Geometrisk krökning styr den kemiska fläckigheten och självmonteringen av nanopartiklar, "publicerades 18 augusti Naturnanoteknik .
Forskarna började med att fästa molekyler av en karboxylsyra vid olika punkter på flera guldnanopartiklar, några så små som fem nanometer i diameter. Varje nanopartikel hade en annan geometri. På nanopartiklar som uppvisar en större krökning, molekylerna var naturligt åtskilda fadern från varandra; på nanopartiklar med mer gradvis krökning, de var närmare varandra.
Skillnaderna i krökning påverkar avståndet mellan molekylerna, vilket gör det möjligt för forskarna att framkalla så kallad "fläck" på cylindriska och hantelformade nanopartiklar. Väsentligen, molekylerna kan "känna" varandra genom repulsiva elektrostatiska interaktioner och, eftersom karboxylsyrorna deproneras, svårigheten att lägga till fler laddningar på nanopartiklarna styrs av hur trånga molekylerna är. Dessa "fläckiga" nanopartiklar kan interagera och självmonteras riktat, efterlikna kemiska molekylbindningar - och, fann forskarna, förändras när laddningen av dessa bundna molekyler ändras.
"Att ändra molekylära egenskaper genom att ändra miljöer istället för molekylstruktur kan leda forskare till att åstadkomma mer med ett mindre bibliotek med redan befintliga molekyler, och kan erbjuda alternativ till kemiska processer som ofta kräver giftiga kemikalier, "sa David Walker, en doktorand vid McCormicks institution för kemisk och biologisk teknik och tidningens första författare.
Krökningsfenomenet är specifikt för nanoskala, där det mesta av kemin i biologiska system utförs, och börjar misslyckas för nanopartiklar över 10 nanometer i diameter, sa forskarna. "Större partiklar har krökningar som är för subtila för att molekylerna ska känna effekten - ungefär som hur människor kan uppfatta att jorden är platt, även om vi nu vet bättre, "Sa Walker.
Forskarna arbetar för närvarande med att utvidga arbetet till andra molekylklasser som kan vara fördelaktiga för katalys och energisyfte.
