Het proces van het bouwen van een kleine kubus heeft enkele van de fundamentele mysteries onthuld van hoe moleculen in natuurlijke omgevingen aan elkaar binden. Onderzoekers hopen deze kennis toe te passen in toekomstige projecten voor het ontwerpen van complexe structuren die het leven kunnen nabootsen.

Wanneer twee moleculen omgeven door water naar elkaar toe bewegen, een deel van hun aanvankelijke aantrekkingskracht is soms te wijten aan de chemische kracht om water af te stoten - het hydrofobe effect.

Zodra de moleculen bij elkaar in de buurt zijn, maar nog niet formeel gebonden, een veel zwakkere kracht wordt belangrijk - de dispersiekracht.

"Onze droom is om de dispersiekracht te beheersen en een eenvoudig ontwerpprincipe te bieden om de dispersiekracht te gebruiken om complexe zelfassemblerende structuren te bouwen, " zei professor Shuichi Hiraoka, leider van het laboratorium waar het onderzoek werd uitgevoerd in de afdeling Basiswetenschappen van de Universiteit van Tokyo.

Dispersiekrachten zijn een type van der Waals-krachten, enkele van de zwakste chemische interacties die in de natuur bekend zijn. Hoewel zwak, van der Waals-krachten zijn belangrijk; ze helpen gekko's om tegen muren op te lopen en werden eerder in 2018 door dezelfde onderzoeksgroep geïdentificeerd als de tandwiel- of sneeuwvlokvormige moleculen van de zelfassemblerende nanokubussen.

Meten van de dispersiekracht onder natuurlijke omstandigheden, zoals wanneer moleculen in oplossing zijn met water, onmogelijk is geweest. De kracht is zo zwak dat hij niet los van de andere krachten in het spel kan worden geïdentificeerd.

Echter, bij nieuwe experimenten, het onderzoeksteam gebruikte hun zelf-assemblerende nanokubussen als hulpmiddelen om verschillen in de verspreidingskracht te versterken.

De moleculen die de zijkanten van de kubussen vormen, zijn gemodificeerd om atomen te bevatten die zijn geselecteerd vanwege hun polariseerbaarheid, wat betekent dat ze reageren op het omringende elektrische veld. Elke volledig geassembleerde nanokubus bevatte 18 van die polariseerbare atomen.

Het gecombineerde effect van 18 atomen was voldoende om meetbare verschillen in de dispersiekracht te creëren, afhankelijk van welk polariseerbaar atoom was bevestigd.

De dispersiekracht wordt wiskundig berekend na gebruik van een techniek genaamd isotherme titratiecalorimetrie om de hoeveelheid warmte te meten die vrijkomt wanneer moleculen aan elkaar binden.

Meer polariseerbare atomen zorgden voor sterkere dispersiekrachten en maakten de nanokubussen stabieler. Afhankelijk van de geschatte waarde van het hydrofobe effect, de dispersiekracht draagt ​​0,6 tot 2,2 keer meer aantrekkingskracht en stabiliteit bij aan de kubus dan het hydrofobe effect.

Onderzoekers zijn van plan deze kennis over meer polariseerbare atomen te gebruiken om sterkere dispersiekrachten te creëren om toekomstige kunstmatige moleculaire structuren met complexere vormen en verhoogde functies te ontwerpen.

"Bijvoorbeeld, we zouden moleculen kunnen ontwerpen met grotere bindingsoppervlakken en polaire atomen langs de randen kunnen plaatsen om de algehele stabiliteit te verbeteren door de aantrekking van dispersiekrachten, ' zei Hiraoka.

Een mysterie oplossen in medicijnontwerp

Hiraoka stelt dat de metingen voor nanokubussen gebouwd met normale waterstof vergeleken met deuterium, de "zware" isotoop van waterstof, moet relevant zijn voor de theorie van medicijnontwerp. Onderzoek door andere groepen had geleid tot tegenstrijdige rapporten onder chemici over de vraag of het verwisselen van waterstof met het twee keer zo zware en grotere deuterium een ​​sterkere verspreidingskracht zou creëren.

Als een algemene regel, grotere atomen zijn meer polariseerbaar en onderzoekers hadden nieuwe gegevens die erop wezen dat verhoogde polariseerbaarheid tot sterkere dispersiekrachten leidde. Echter, in sommige gevallen zorgt de kleinere waterstof voor een sterkere verspreidingskracht dan zwaar deuterium, maar andere rapporten toonden het tegenovergestelde of verwaarloosbaar kleine verschil tussen de twee atomen.

"Bij onze experimenten het entropie-enthalpie verschil is volledig in evenwicht. De vrije energie die vrijkomt door nanokubussen met waterstof of deuterium is in wezen identiek, dus er kan geen verschil tussen zijn, ' zei Hiraoka.

Een essentieel verschil tussen eerder onderzoek en deze experimenten is dat het UTokyo-team een ​​meer levensechte toestand van in oplossing met water gebruikte en het effect versterkte met behulp van het nanocube-ontwerp.