Er is altijd een reden voor de manier waarop moleculen worden gevormd en hoe ze worden gevormd. Zodra onderzoekers de bindingen in moleculen begrijpen, ze bedenken manieren om de materialen die ze vormen zo goed mogelijk te gebruiken, het ontsluiten van nieuwe innovaties voor wetenschap en technologie.

Maar er is één band waar wetenschappers tegenaan liepen:de band tussen sommige soorten metalen en koolstof. Hoogleraar Scheikunde Timothy Hanusa en Ph.D. student Ross Koby wilde dit unieke type binding repliceren met behulp van modelleringstechnologie.

"Als we de moleculaire modellen dezelfde vorm zouden kunnen laten vormen als de moleculen in het echte leven, we zouden kunnen begrijpen waarom de bindingen zich in zulke onregelmatige vormen vormen, ' zei Hanusa.

Door de modelberekeningen te wijzigen en aanvullende gegevens op te nemen, het team vond nieuwe factoren die de formatie verklaren, bestaande theorieën ter discussie stellen. Onlangs schetsten ze hun bevinding voor de website Science Trends.

De metaal- en koolstofbindingen in kwestie komen voor in verbindingen die op Oreo-koekjes lijken:in het midden bevindt zich het metaal, en het is aan weerszijden omgeven door ringen van koolstof. Net als bij een Oreo-koekje, de ringen zijn over het algemeen evenwijdig en gebalanceerd, de negatief geladen ringen zo ver mogelijk uit elkaar houden. Maar in sommige van deze verbindingen, vooral met zeldzame aardmetalen zoals samarium of zwaardere metalen zoals calcium en strontium, de ringen lopen naar elkaar toe, buigen zodat ze elkaar bijna aan één kant raken.

In het geval van de zeldzame aardmetalen, dit kan worden verklaard door covalente binding - de twee zijden van het molecuul delen elektronen heen en weer, in een patroon als een 8-figuur die in het midden is omgevouwen.

Maar voor de zwaardere metalen met een meer ionische binding, waar atomen elkaar aantrekken als twee kanten van een magneet, de negatief geladen zijden moeten elkaar afstoten.

Wetenschappers hebben dit eerder verklaard met iets dat het fenomeen dispersie-interactie wordt genoemd, wat betekent dat zelfs atomen die dichtbij elkaar afstoten, op grotere afstanden tot elkaar worden aangetrokken. Het is een zwakke interactie waar niet altijd goed rekening mee wordt gehouden in de modelleringstechnologie.

Hanusa en Koby hebben deze theorie getest door enkele grote veranderingen aan te brengen in modelberekeningen. Eerst, ze gebruikten meer volledige beschrijvingen van de elektronen in de metalen centra van de moleculen (de crème die het koekje vult) om te zien of ze de binding zouden kunnen beïnvloeden of de buiging konden veroorzaken.

Volgende, ze gebruikten een nieuwe berekening die volledig dispersievrij is. Terwijl oude modellen al dan niet het effect van dispersie bevatten, het nieuwe model maakt het effect absoluut teniet. Op die manier, onderzoekers kunnen de modellen zonder dispersie uitvoeren, en schakel het vervolgens weer in om te zien hoe het model verandert.

Wat ze met het nieuwe model vonden, bevestigde de theorie dat zeldzame aardmetaal/koolstof-bindingen zich aan de meer covalente kant van het spectrum bevinden. Deze moleculen waren van nature gebogen, zelfs als het dispersie-effect was uitgeschakeld.

De zware metaal/koolstof moleculen echter, liet iets nieuws zien. De moleculaire modellen verbogen zelfs zonder het dispersie-effect - niet zoveel als in het echte leven, maar genoeg om aan te tonen dat de elektronen van het centrale metaal enige buiging veroorzaakten. Toen het dispersie-effect ook was ingeschakeld, de moleculaire modellen buigen net als de echte moleculen. Dat betekent dat zowel dispersie als covalente effecten ervoor zorgen dat dit molecuul buigt.

De nieuwe berekeningen laten zien hoe dispersie en covalente effecten kunnen samenwerken om de structuur van moleculen te veranderen. Dit heeft belangrijke implicaties op veel gebieden van de chemie, van het bepalen van de kookpunten van vloeistoffen tot het beïnvloeden van eiwitvouwing. Dankzij dit nieuwe onderzoek wetenschappers kunnen moleculen nu nauwkeuriger beschrijven en begrijpen waarom ze zich op bepaalde manieren gedragen en reageren.