Professor Shuichi Hiraoka vid University of Tokyo skapade först en självmonterande nanokub 2008 och har arbetat för att förbättra lösligheten och temperaturstabiliteten sedan dess. Den nuvarande självmonterande hexafenylbensen nanokuben är löslig i vatten och stabil upp till 130 grader Celsius (266 grader Fahrenheit). Den senaste publikationen från hans forskargrupp identifierade rollen av svaga molekylära krafter för att hålla ihop lådan. Kredit:Shuichi Hiraoka CC-BY-ND. Ursprungligen publicerad i Tjur. Chem. Soc. Jpn . 2018, 91, 957-978 | doi:10.1246/bcsj.20180008.
Forskare har identifierat de svaga molekylära krafterna som håller ihop en liten, självmonterande låda med kraftfulla möjligheter. Studien visar en praktisk tillämpning av en kraft som är vanlig i biologiska system och främjar jakten på artificiellt kemiskt liv.
"Jag vill förstå system för självmontering, som är avgörande för livet. Att bygga konstgjorda självmonterande kuber hjälper oss förstå hur biologiska system fungerar, " sa professor Shuichi Hiraoka, ledare för laboratoriet vid University of Tokyo Graduate School of Arts and Sciences där lådorna designades, byggd, och analyseras.
Bildandet av DNA och proteiner är biologiska exempel på självmontering, men de krafter eller processer som styr hur dessa naturliga molekyler kommer samman förblir också odefinierade. Undersökningar av Hiraokas team bidrar till kemisk förståelse av hur naturliga molekyler kan självbilda sig och avslöja tekniker för att efterlikna dessa processer i framtiden.
Hiraoka och hans team identifierade styrkorna som håller ihop sidorna av sina små lådor som van der Waals-styrkor, främst spridningskrafter. Dessa krafter är svaga attraktioner mellan molekyler som skapas när elektroner tillfälligt grupperar sig på ena sidan av en atom. Geckos kan gå uppför väggar delvis på grund av van der Waals krafter.
Nanokuben är byggd med hexafenylbensenmolekyler ca 2 nanometer i diameter, men kuben kan expandera eller dra ihop sig för att bäst rymma värdmolekyler baserat på deras storlek, form, och atomladdning. Kredit:Shuichi Hiraoka CC-BY-ND.
Varje sida av kuben är bildad av en molekyl som är 2 nanometer i diameter och formad som en sexuddig snöflinga. Varje sida är ungefär en fyratusendel av storleken på en mänsklig blodkropp. De svaga krafterna som håller ihop kubens sidor gör lådan något flexibel, så den anpassar sig för att på bästa sätt ta emot gästmolekyler baserat på deras storlek, form, och atomladdning. Lådan kan bukta ut för att rymma stort eller långt innehåll och dra ihop sig för att eliminera extra utrymme när du är värd för gästmolekyler med negativa laddningar.
"Vi har inte uppgifterna ännu, men den logiska slutsatsen är att långa kedjeliknande gästmolekyler på något sätt viker sig för att komma in i lådan, " sa Hiraoka.
Forskare bygger den lilla lådan av molekyler av hexafenylbensen. De enskilda molekylerna existerar som en torr, vitt pulver. När det blandas med vatten, Molekylerna sätts spontant ihop till kuber.
"I lösning, de sex molekylerna samlas så snabbt att vi inte kan se hur de bildar kuber. Den exakta processen för självmontering förblir ett mysterium, " sa Hiraoka.
En kub som kan monteras själv i vatten har potential för framtida biologiska tillämpningar. Hexafenylbensenkuben håller också ihop även över vattnets koktemperatur, förblir stabil upp till 130 grader Celsius (266 grader Fahrenheit).
De sex punkterna på de snöflingformade hexafenylbensenmolekylerna låser sig när de sätts ihop till en kub. Forskare beskriver designen av denna molekyllåda som att likna den japanska träfogningstekniken som kallas hozo , där träbitar hålls samman utan lim eller gångjärn, använder endast invecklade sammankopplande mönster.
Studien publiceras i Naturkommunikation .
