Hoewel knopen hinderlijk kunnen zijn, ze zijn ook erg handig als het gaat om het strikken van je veters of als je gaat zeilen. Bij wiskunde, er zijn maar liefst 6 miljard verschillende potentiële knopen, maar hoe zit het met knopen in de chemie? Sinds de jaren zeventig, wetenschappers hebben geprobeerd moleculen aan elkaar te knopen om nieuwe, op maat gemaakte mechanische eigenschappen die aanleiding kunnen geven tot nieuwe materialen. De eerste successen volgden 20 jaar later, maar het proces blijft moeizaam.

Vandaag, onderzoekers van de Universiteit van Genève (UNIGE), Zwitserland, een eenvoudige en effectieve techniek hebben ontwikkeld om knopen in moleculen te leggen, en hebben voor het eerst de veranderingen in eigenschappen waargenomen die het gevolg zijn van deze vergrendelingen. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Chemie — een Europees tijdschrift , nieuwe perspectieven openen voor het ontwerpen van materialen en het moleculair overdragen van informatie.

Knopen zijn zeker nuttig. Maar hoe zit het in de chemie? Is het mogelijk om moleculen aan elkaar te binden? Het idee verscheen voor het eerst in 1971 met als doel nieuwe materialen te creëren die het gevolg zouden zijn van de veranderingen in mechanische en fysieke eigenschappen die het gevolg zouden zijn van deze vergrendelingen. Maar het was pas in 1989 dat Jean-Pierre Sauvage, de Franse Nobelprijswinnaar voor scheikunde 2016, geslaagd. Wetenschappers hebben vervolgens hard gewerkt om knopen te vormen, maar het blijft een uitdaging.

"Om moleculen aan elkaar te binden, je moet metalen gebruiken die zich aan de moleculen hechten en ze op een heel specifiek pad sturen, het vormen van de kruispunten die nodig zijn om knopen te maken, " legt Fabien Cougnon uit, een onderzoeker bij de afdeling Organische Chemie van de Faculteit Wetenschappen van UNIGE. "Maar het is een complex proces dat vaak resulteert in een verlies aan grondstof van meer dan 90%. De resulterende hoeveelheid moleculaire knopen is meestal slechts enkele milligrammen, niet genoeg om nieuwe materialen te maken."

Hydrofobe moleculen die vanzelf aan elkaar binden

De chemici van UNIGE ontwikkelden een nieuwe techniek die het mogelijk maakt om gemakkelijk in elkaar grijpende moleculen te maken. "We gebruiken vetmoleculen die we weken in water dat tot 70 graden is verwarmd. Omdat ze hydrofoob zijn, ze proberen koste wat kost aan het water te ontsnappen, samenkomen en een knoop vormen door middel van zelfmontage, " zegt Tatu Kumpulainen, een onderzoeker bij de afdeling Fysische Chemie van de Faculteit Wetenschappen van UNIGE.

Dankzij deze nieuwe techniek de in Genève gevestigde chemici kunnen moeiteloos moleculaire knopen maken, en - nog belangrijker - zonder materiaal te verliezen. "We transformeren tot 90% van de basisreagentia in knopen, wat betekent dat we een echte analyse kunnen overwegen van de veranderingen in de mechanische eigenschappen veroorzaakt door de knopen, wat nog nooit eerder is gedaan, " merkt Cougnon op. Hoewel ze niet kunnen kiezen hoe de moleculen aan elkaar worden geknoopt, ze kunnen dezelfde knoop naar believen reproduceren, omdat dezelfde chemische structuur altijd een identieke knoop zal vormen in een waterige omgeving.

Elke knoop heeft zijn eigen mechanische eigenschappen

Nu het knopen van moleculen gemakkelijk is geworden, wat kunnen onderzoekers met deze knopen? Heeft het enige waarde om ze te vormen? Om de impact van de vergrendelingen te controleren, de chemici van Genève kozen een familie van moleculen die allemaal hetzelfde ontwerp hebben:ze absorberen ultraviolet, zijn fluorescerend en zeer gevoelig voor de algemene omgeving, vooral de aanwezigheid van water.

"We hebben vier knopen gemaakt, van de eenvoudigste tot de meest complexe (nul, twee, drie en vier kruispunten), die we vergeleken met een referentiemolecuul dat hun basis vormt, " legt Cougnon uit. "Om dit te doen, we gebruikten eerst nucleaire magnetische resonantie (NMR) om de stijfheid van de verschillende delen van de knopen en de snelheid en manier waarop ze ten opzichte van elkaar bewegen te observeren." De wetenschappers vonden een eerste verandering in mechanische eigenschappen:hoe complexer de knopen, hoe minder ze bewegen.

De chemici gebruikten vervolgens spectroscopie om de spectra van de vier knopen met elkaar te vergelijken. "We merkten al snel dat de lossere enkele knopen (nul en twee snijpunten) zich op dezelfde manier gedroegen als het referentiemolecuul, " vervolgt Kumpulainen. "Maar als de knopen complexer zijn, de moleculen - die strakker waren - veranderden hun fysieke eigenschappen en kleur! Hun manier om licht te absorberen en uit te zenden verschilde van het referentiemolecuul." Deze verandering in kleur betekent dat de wetenschappers de mechanische eigenschappen kunnen visualiseren die specifiek zijn voor elk samenstel, inclusief de elasticiteit, structuur, beweging of positie.

Voor de eerste keer, de chemici van Genève hebben aangetoond dat geknoopte moleculen mechanische eigenschappen veranderen. "We willen deze veranderingen nu van A tot Z kunnen beheersen, zodat we deze knopen kunnen gebruiken, bijvoorbeeld, als indicatoren voor de eigenschappen van het milieu, ", zegt Kumpulainen. Nu er geen materiaal verloren gaat bij het maken van de kruispunten, ze zijn ook van plan om nieuwe materialen te bouwen, zoals elastieken, met behulp van de netwerken van knopen. "Eindelijk, we kunnen overwegen om informatie binnen een knoop over te dragen dankzij een eenvoudige verandering van positie op een deel van de knoop dat door de hele structuur zou worden weerspiegeld en de informatie zou overbrengen, ’ concludeert Cougnon.