Håll upp dina två händer. De har samma struktur, men spegla motsatser. Hur mycket du än försöker, de kan inte läggas över varandra. Eller, som kemister skulle säga, de har "kiralitet, "från det grekiska ordet för hand. En molekyl som är kiral kommer i två identiska, men motsatt, former - precis som en vänster och höger hand.

Kemisten Severin Schneebeli vid Vermont University har uppfunnit ett nytt sätt att använda kiralitet för att göra en skiftnyckel. En skiftnyckel i nanoskala. Hans lags upptäckt gör att de kan kontrollera nanoskala former exakt och håller löften som en mycket exakt och snabb metod för att skapa anpassade molekyler.

Denna användning av "kiralitetsassisterad syntes" är ett grundläggande nytt tillvägagångssätt för att kontrollera formen på stora molekyler-ett av de grundläggande behoven för att skapa en ny generation av komplexa syntetmaterial, inklusive polymerer och läkemedel.

UVM -teamets resultat presenterades online, 9 september kl. i den högst rankade kemitidskriften Angewandte Chemie .

Som Legos

Experimentera med antracen, ett ämne som finns i kol, Schneebeli och hans team samlade C-formade remsor av molekyler som, på grund av deras chiralitet, kan gå med varandra i endast en riktning. "De är som Legos, "Schneebeli förklarar. Dessa molekylära remsor bildar en styv struktur som kan hålla ringar av andra kemikalier" på ett sätt som liknar hur ett femsidigt bulthuvud passar in i en femkantig skiftnyckel, "skriver laget.

De C-formade remsorna kan anslutas till varandra, med två bindningar, i endast en geometrisk orientering. Så, till skillnad från många kemiska strukturer - som har samma allmänna formel men är flexibla och kan vrida och rotera till många olika möjliga former - "har detta bara en form, "Säger Schneebeli." Det är som en riktig skiftnyckel, "säger han-med en öppning som är hundratusen gånger mindre än människohårets bredd:1,7 nanometer.

"Det behåller sin form helt, " han förklarar, även i olika lösningsmedel och vid många olika temperaturer, "vilket gör det förorganiserat att binda till andra molekyler på ett specifikt sätt, " han säger.

Denna skiftnyckel, den nya studien visar, kan på ett tillförlitligt sätt binda till en familj av välkända stora molekyler som kallas "pilarenmakrocykler". Dessa ringar av pelaren har, sig själva, ofta använts som "värd, "i kemi-tala, att omge och modifiera andra "gäst" -kemikalier i mitten-och de har många möjliga tillämpningar från kontrollerad läkemedelsleverans till organiska ljusemitterande ämnen.

"Genom att omfamna pelare, "skriver Vermont -teamet, "De C-formade remsorna kan reglera interaktionen mellan pelarenvärdar och konventionella gäster." Med andra ord, kemisterna kan använda sin nya skiftnyckel för att fjärrjustera den kemiska miljön inuti pelaren på samma sätt som en mekaniker kan vrida en yttre bult för att justera prestandan inuti en motor.

Den nya skiftnyckeln kan göra bindningen till insidan av pelarringarna "ungefär hundra gånger starkare, "än det vore utan skiftnyckeln, Säger Schneebeli.

Gör modeller

Också, "eftersom denna typ av molekyl är stel, vi kan modellera det i datorn och projicera hur det ser ut innan vi syntetiserar det i labbet, "säger UVM -teoretiska kemisten Jianing Li, Schneebelis samarbetspartner om forskningen och en medförfattare till den nya studien. Vilket är precis vad hon gjorde, skapa detaljerade simuleringar av hur skiftnyckeln skulle fungera, använder datorprocessorer i Vermont Advanced Computing Core.

"Detta är en revolutionerande idé, "Li sa, "Vi har 100% kontroll över formen, vilket ger stor atomekonomi - och låter oss veta vad som kommer att hända innan vi börjar syntetisera i labbet. "

I labbet, postdoktoral forskare och huvudförfattare Xiaoxi Liu, Zackariah Weinert, och andra teammedlemmar guidades av datasimuleringarna för att testa den faktiska kemin. Med hjälp av en masspektrometer och en NMR -spektrometer i UVM -kemiavdelningen, laget kunde bekräfta Schneebelis idé.

Kreativ enkelhet

Sir Fraser Stoddart, en världsledande kemist vid Northwestern University, beskrev den nya studien som, "Lysande och elegant! Kreativt och enkelt." Och, verkligen, det är enkelheten i tillvägagångssättet som gör det kraftfullt, Säger Schneebeli. "Allt är baserat på geometri som styr molekylernas symmetri. Detta är den enda formen den kan ta - vilket gör den mycket användbar."

Nästa, laget syftar till att modifiera de C-formade bitarna-som är bundna med två bindningar som bildas mellan två kväve och brom-för att skapa andra former. "Vi gör en speciell typ av spiral som kommer att vara flexibel som en riktig vår, "Schneebeli förklarar, men kommer att behålla sin form även under stor påfrestning.

"Denna spiralformade form kan vara superstark och flexibel. Det kan skapa nya material, kanske för säkrare hjälmar eller material för rymden, "Säger Schneebeli." I det stora hela, detta arbete pekar oss mot syntetiska material med egenskaper som, i dag, inget material har. "