Steve Granick, Directeur van het IBS Center for Soft and Living Matter en Dr. Huan Wang, Senior onderzoeker, rapporteer samen met 5 interdisciplinaire collega's in het 31 juli nummer van het tijdschrift Wetenschap dat gewone chemische reacties de Brownse diffusie versnellen door lange-afstandsrimpelingen in het omringende oplosmiddel te sturen.

De bevindingen schenden een centraal dogma van de chemie, dat moleculaire diffusie en chemische reactie niets met elkaar te maken hebben. Om te zien dat moleculen worden geactiveerd door een chemische reactie is "nieuw en onbekend, "zei Granick. "Als de ene substantie in een andere verandert door bindingen te verbreken en te vormen, hierdoor gaan de moleculen juist sneller bewegen. Het is alsof de chemische reacties op natuurlijke wijze in beweging komen."

"Momenteel, de natuur doet uitstekend werk in het produceren van moleculaire machines, maar in de natuurlijke wereld hebben wetenschappers niet goed genoeg begrepen hoe ze deze eigenschap moeten ontwerpen, "zei Wang. "Buiten nieuwsgierigheid om de wereld te begrijpen, we hopen dat dit praktisch nuttig kan worden bij het begeleiden van het denken over het omzetten van chemische energie voor moleculaire beweging in vloeistoffen, voor nanorobotica, precisiegeneeskunde en groenere materiaalsynthese."

De onverwachte rimpelingen die worden gegenereerd door chemische reacties, vooral wanneer ze worden gekatalyseerd (versneld door stoffen die zelf niet worden geconsumeerd), over lange afstand verspreiden. Voor scheikundigen en natuurkundigen, dit werk daagt de leerboekopvatting uit dat moleculaire beweging en chemische reactie ontkoppeld zijn, en dat reacties alleen de nabije omgeving beïnvloeden. Voor ingenieurs, dit werk toont een krachtige nieuwe benadering voor het ontwerpen van nanomotoren op echt moleculair niveau.

Screening van 15 organische chemische reacties, de onderzoekers bestuderen chemische reacties die werkpaarden zijn met een brede toepassing binnen de organische chemische stof, farmaceutische en materiaalindustrie. Bijvoorbeeld, 'klik'-reacties helpen bij het samenstellen van bibliotheken van biomedische verbindingen voor screening en de Grubbs-reactie wordt gebruikt voor de productie van plastic. Hun economische impact is groot. Schattingen geven aan dat een meerderheid van alle vervaardigde producten ergens in hun productievolgorde katalyse nodig heeft.

Wang merkte enthousiast op:"Nu, we zijn als een baby die haar eerste stapjes zet en er is zoveel opwindende kans om deze baby te laten groeien."

Bij het ontwerpen van hun studie, de onderzoekers waren bio-geïnspireerd door op te merken dat beweging kan worden aangedreven door enzymen en andere moleculaire motoren die veel voorkomen in levende systemen. Baanbrekend eerder werk van Dr. Ah-Young Jee in hetzelfde onderzoekscentrum toonde dit aan. Maar er was geen consensus onder wetenschappers of deze rapporten correct konden worden uitgebreid buiten de biologie. Analyse van het probleem, de onderzoekers maakten een hoog risico, argument voor hoge uitbetalingen. Ze veronderstelden dat het fenomeen een benadering zou vormen om moleculaire machines in de echte wereld te begrijpen.

Het testen van hun hypothese, het team ontwikkelde nieuwe analytische technieken. Professor Tsvi Tlusty, een theoreticus, voorspelde dat katalysatoren in reactiegradiënten 'bergopwaarts' zouden migreren in de richting van minder diffusiviteit. Professor Yoon-Kyoung Cho, een microfluïdica-expert, ontwierp een op maat gemaakte microfluidics-chip om dit idee te testen. Dr. Ruoyu Dong, een onderzoeksmedewerker, numerieke computersimulaties uitgevoerd. "Ons interdisciplinair team reageerde ongelooflijk snel op de onderzoeksmogelijkheden, dankzij de onderzoeksvrijheid van het Korean Institute for Basic Science, ' zei Granick.

Het team presenteert richtlijnen die aantonen dat de mate van diffusietoename in verschillende systemen afhangt van de energieafgiftesnelheid. Deze richtlijnen kunnen praktisch bruikbaar zijn om het effect in nog niet geteste reacties te schatten. Achter dit, de studie is erg nuttig voor het vergroten van het begrip van actieve materialen, een verzamelnaam die van oudsher verwijst naar zaken als cellen en micro-organismen.

Granick concludeerde:"Het gebied van actieve materialen, vrij nieuw en snel groeiend, wordt verrijkt door deze ontdekking dat chemische reacties zich gedragen als nanozwemmers gemaakt van individuele moleculen die de reactiesoep op gang brengen. Het concept van actieve materialen heeft zijn waarde bewezen bij het uitdagen van een centraal dogma van de chemie."

Deze bevindingen werden op 31 juli gepubliceerd, 2020 uitgave van Wetenschap tijdschrift. De studie werd uitgevoerd in het IBS Center for Soft and Living Matter door auteurs Huan Wang, Myeonggon-park, Ruoyu Dong, Junyoung Kim, Yoon-Kyoung Cho, Tsvi Tlusty, en Steve Granick.