En grupp kemister från Manchester har framgångsrikt knutit en serie mikroskopiska knutar med individuella molekyler för första gången, inledde tillkomsten av en form av vävning i nanoskala som skulle kunna skapa en ny generation av avancerade material.

Gruppen baserade vid University of Manchester har utvecklat ett sätt att binda en konstgjord 15 nanometer (15 miljondelar av en millimeter) molekylär tråd i någon av tre olika knutar precis som om man använder en bit snöre.

En bit snöre kan knytas till olika knutar, några med distinkta egenskaper som kan utnyttjas för olika funktioner från skosnören till snaror, hakar, böjar och stoppknutar. Något av den mest avancerade utrustningen som någonsin utvecklats, inklusive NASA Curiosity Rover som användes på Mars, använda knutar för att utföra viktiga uppgifter. Även om vissa DNA- och proteinmolekyler finns i knuten form, tidigare har det inte varit möjligt att binda en molekyl till mer än en komplex knut.

Den nya forskningen publiceras idag i tidskriften Natur , visar hur forskarna kunde efterlikna naturliga molekylärbiologiska processer för att uppnå labbtillverkade alternativ för en rad potentiella tillämpningar. Biologi använder "molekylära assistenter" som kallas chaperones för att vika proteiner till knutna strukturer och Manchester-forskarna tillämpade samma koncept på en syntetisk molekylär sträng med metallatomer för att styra veckningsprocessen.

Professor David Leigh, från University of Manchester ledde forskningen, han sa:"Vi kunde knyta olika knutar i en molekylär sträng genom att använda metallatomer för att vika och fläta strängen. De två gröna platserna binder till en kopparatom; de tre lila platserna binder till en lutetiumatom. Förenar ändgrupperna förhindrar att knuten lossas när metallatomerna avlägsnas."

Samma grupp hade tidigare knutit världens minsta knut och fortskred nu sin forskning här genom att använda grundläggande metoder som skulle vara bekanta för alla som gick med i scouterna. Att kunna göra olika typer av molekylära knutar innebär att forskare bör kunna undersöka hur knutning påverkar hållfasthet och elasticitet hos material som gör det möjligt för dem att väva polymersträngar för att generera nya typer av material.

Nyckeln var att blanda bindningsställen för olika metalljoner längs den molekylära strängen. När en metallatom binder till specifika platser på strängen gör det att strängen viker sig och skapar en "trassel" i tråden. Olika tovor kombineras för att bilda större knutar enligt härvelteorin (utvecklad av matematikern John H. Conway, också känd för att utveckla "Game of Life"). Olika kombinationer av metalljoner (koppar och/eller lutetium, eller ingen, tillåtit vilken som helst av tre olika knutar – en oknut, en trefotsknut, och en knut med tre vridningar – som ska knytas i samma molekylära sträng.

Att binda molekylsträngen i olika knutar förändrar dess egenskaper. När tråden är knuten i det tätaste, mest komplexa, knuten - den trevridna knuten - den kan binda två metallatomer samtidigt, en kopparatom och en lutetiumatom. Dock, de lösare knutarna (t.ex. trefoil-knuten och unknoten) kan bara binda en metallatom åt gången - antingen en kopparatom, eller en lutetiumatom. Oväntat, metallbindningen kan också förändra hur den knutna öglan är intrasslad, som ett molekylärt spel med kattens vagga.

Förmågan att knyta en molekylär sträng i olika knutar, och därefter ändra regionen och graden av intrassling, öppnar nya möjligheter och forskningsriktningar för att modifiera funktionen och egenskaperna hos andra molekylkedjor, såsom polymerer och plaster.