Twee routes divergeerden in een chemische synthese, en één molecuul nam ze allebei. Chemici van de Universiteit van Tokyo hebben onderzocht hoe moleculaire bouwstenen een bolvormige kooi kunnen vormen of een ultradunne plaat die enkele van de basiseigenschappen vertoont van een 'slim' materiaal dat kan reageren op zijn omgeving.

"Dit molecuul is interessant omdat het verschillende structuren bouwt, afhankelijk van de omstandigheden wanneer het het bifurcatiepunt van zijn synthese bereikt, " zei professor Shuichi Hiraoka van de afdeling Basiswetenschappen. Hiraoka's onderzoeksinteresses gaan over hoe moleculen zichzelf samenstellen, inclusief DNA in levende cellen of micellen, gevonden in zowel de natuur als de cosmetica-industrie.

Het splitsingspunt is een "vork in de weg" van de chemische syntheseroute waar dezelfde precursormoleculen op twee verschillende manieren kunnen verbinden om uiteindelijk verschillende uiteindelijke structuren te vormen. In de huidige reactie de voorlopers nemen verschillende paden afhankelijk van de aanwezigheid of afwezigheid van een derde molecuul.

De voorlopermoleculen zijn palladiummetaalatomen en een organisch molecuul-1, 4-bis (3-pyridyloxy) benzeen - gemaakt van drie ringen die gemakkelijk kunnen zwaaien tussen een S-vorm en C-vorm oriëntatie.

Het derde molecuul waarvan de aanwezigheid of afwezigheid het pad van de voorlopers beïnvloedt, is een negatief geladen anionmolecuul (nitraat of triflaat).

In aanwezigheid van het anion, het organische molecuul neemt de C-vorm aan en één voor één, vier van die C's koppelen samen in twee O-ringen, het anion opsluiten in een bolvormige kooi. Twee palladiumatomen vergrendelen de vier C's aan de boven- en onderkant van de kooi.

Als het anion afwezig is, het organische molecuul zwaait in de S-vorm en verbindt zich met andere S-vormige moleculen met de palladiumatomen als schakels. Eventueel, ze vormen platte platen van ongeveer 4 nanometer dik en tot 5 micrometer in diameter.

Echter, wanneer onderzoekers het anion aan het ingevulde blad toevoegen, de moleculen zullen zich langzaam herschikken in de kooiformatie.

"De plaat vertoont enkele zeer primitieve eigenschappen van een zogenaamd slim materiaal - een materiaal dat zijn omgeving kan voelen en erop kan reageren. Deze verschuiving van de platen van micrometerformaat naar kooien ter grootte van nanometers is een zeer dramatische structurele verandering, ' zei Hiraoka.

Het onderzoeksteam hoopt dat hun werk om de fundamentele chemische eigenschappen van deze moleculen te begrijpen, zal leiden tot de mogelijkheid om moleculen te ontwerpen die zichzelf kunnen assembleren en onafhankelijk kunnen reorganiseren, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden.

Paden zijn afhankelijk van thermodynamica en kinetiek

De plaat- en kooiformaties zijn op verschillende manieren chemisch stabieler. De kooivorming is thermodynamisch stabieler, wat betekent dat het energie zou vergen om uit die formatie te komen. Het blad is kinetisch stabieler dan de kooi, wat betekent dat de moleculen langzaam van positie veranderen. Onderzoekers zijn verheugd dat ze een kunstmatig systeem hebben ontwikkeld dat de complexiteit van deze verschillende stabiliteiten bevat.

"Gecompliceerde natuurlijke zelfassemblagereacties in levende systemen hebben vaak kinetische controle, " legt Hiraoka uit.

Eiwitten in levende organismen worden gewoonlijk kinetisch opgesloten om in hun gezonde formaties te blijven, ook al zou het thermodynamisch stabieler zijn om te aggregeren tot nutteloze klonten.

In het kunstmatige systeem dat Hiraoka's onderzoeksteam bestudeerde, wanneer de voorlopermoleculen kooien vormen, de moleculen blijven in die uiteindelijke positie omdat het de laagste thermodynamische energierangschikking is.

"De reactie in het vroege stadium om de kooi te vormen is erg snel, wat ons vertelt dat het anion fungeert als een kinetische sjabloon voor de voorlopers om de kooi te vormen, ' zei Hiraoka.

Echter, de reactie om het vel te vormen verloopt langzamer en onderzoekers zeggen dat de moleculen kinetisch worden gevangen in de velformatie zonder de aanwezigheid van het anion om een ​​sjabloon te vormen dat ze in de kooiformatie trekt.

Onderzoekers zijn van plan om verder te bestuderen hoe de zelfassemblageroute wordt gecontroleerd en hoe de invloed van het kinetische effect en de thermodynamische stabiliteit kan worden gemanipuleerd.