Moleculen zijn zo klein dat we ze met gewone microscopen niet eens kunnen zien. Dit maakt het bestuderen van moleculen of chemische reacties moeilijk:onderzoekers beperken zich tot indirecte waarnemingen of computermodellen. Een team van onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit van New York heeft nu een manier gevonden om modelmoleculen van micrometergrootte te bouwen met behulp van 'fragmentarische deeltjes'. Dit maakt een veel directere studie van de moleculaire dynamica mogelijk. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie deze week.

Als we scheikunde leren op de middelbare school, we gebruiken moleculaire modelleringskits waarin de atomen worden weergegeven door houten of plastic ballen die je kunt verbinden om moleculen te vormen. Deze modelleerkits helpen ons om de ruimtelijke structuur van moleculen te visualiseren en ons voor te stellen hoe ze reageren, maar er treden natuurlijk geen echte chemische reacties op tussen de houten of plastic ballen. Nu blijkt dat voor hele kleine balletjes deze situatie drastisch verandert.

Een nieuwe modelbouwset

Hoewel kits voor moleculaire modellering erg nuttig kunnen zijn, de meeste van onze feitelijke kennis over moleculen ontstaat op een veel indirectere manier. Het komt, onder anderen, uit metingen van het stralingsspectrum dat de moleculen absorberen. Bijvoorbeeld, een infraroodspectrum geeft wetenschappers een vingerafdruk van de moleculaire trillingen waaruit ze de moleculaire samenstelling en structuur kunnen afleiden. Een direct zicht op moleculen zou onmiddellijk inzicht geven in hun rangschikking, moleculaire trillingen en reacties. Echter, dergelijke directe beelden worden uitgesloten door de kleine omvang en snelle beweging van de moleculen. Het feit dat alle waarnemingen van moleculen indirect zijn, daagt onze verbeelding van de driedimensionale moleculaire structuren en reacties uit.

Dit probleem bracht natuurkundigen en scheikundigen van de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit van New York ertoe om een ​​manier te vinden om de eenvoudige visualisatie van gewone moleculaire modelleringskits te combineren met de feitelijke fysica die plaatsvindt op de sub-nanometerschaal van echte moleculen. In de laboratoria in Amsterdam, de wetenschappers slaagden erin om "moleculen" te bouwen van kleine plastic ballen van micrometerformaat, zogenaamde colloïdale deeltjes, die werden geproduceerd in de laboratoria van New York. De deeltjes zijn zo gemaakt dat ze elkaar alleen in bepaalde richtingen aantrekken, heel precies de specifieke hoeken tussen chemische bindingen tussen atomen modelleren, die de manier bepalen waarop de atomen in moleculen rangschikken.

Deze deeltjes ter grootte van een micrometer combineren inderdaad het beste van twee werelden:ze zijn klein genoeg om de karakteristieke beweging en trillingen te vertonen die moleculen ondergaan als gevolg van temperatuur, maar zijn net groot genoeg om te worden waargenomen en gevolgd met een gewone microscoop.

Atomen erin, moleculen uit

Om specifieke soorten atomen te imiteren, de onderzoekers in Amsterdam gebruikten technieken die de afgelopen jaren zijn ontwikkeld om de colloïdale deeltjes te voorzien van mooie plekken waar de modelatomen in elkaar konden 'klikken'. Het aantal en de configuratie van deze patches bepaalt het type atoom dat wordt gemodelleerd, bijvoorbeeld om koolstofatomen te imiteren, de onderzoekers maakten deeltjes met vier vlakken in een tetraëdergeometrie, of deeltjes met twee patches aan weerszijden, het reproduceren van de bindingshoeken van twee bekende bindingstoestanden van koolstofatomen. Bovendien - en dit is waar de nieuwe kit veel verder gaat dan gewone moleculaire modellen - slaagden ze erin om de interacties tussen de patches te verfijnen, zodat de modelatomen in staat waren om bindingen te vormen en weer op te splitsen op exact dezelfde manier als atomen dat doen in echte chemische reacties.

De modelleerkit bleek uitstekend te werken. Toen verschillende modelatomen werden samengebracht, de onderzoekers merkten op dat de deeltjes inderdaad de "moleculen" vormden die bekend zijn uit de koolstofchemie. Onder een microscoop, analogen van moleculen zoals butyn en butaan waren zichtbaar - moleculen waarvan de belangrijkste atomen langs een lijn waren gerangschikt. Moleculen met ringachtige configuraties, die een belangrijke rol spelen in de organische chemie, ook gemodelleerd:structuren zoals cyclopentaan (een molecuul met een ring van vijf koolstofatomen) en cyclohexaan (met een ring van zes van dergelijke atomen) konden worden waargenomen.

Puckering en katalyse

Door de grotere omvang van de modelmoleculen, de onderzoekers konden hun vorming en interne beweging in realtime en tot in detail volgen. Hierdoor konden ze verschijnselen direct zien waarvan alleen bekend was dat ze optraden door indirecte waarnemingen. Bijvoorbeeld, voor de vijf-atoomringstructuur van cyclopentaan, ze observeerden direct de karakteristieke "rimpelende" beweging van de samenstellende atomen:de cyclopentaanring is niet gefixeerd in een enkel vlak, maar het vervormt zodat de samenstellende atomen in en uit dat gebied bewegen. De reden voor dit gedrag is dat de natuurlijke hoeken tussen de atomen niet precies overeenkomen met de hoeken die nodig zijn om een ​​platte vijf-atoom ring te maken, en als gevolg daarvan moet er altijd één atoom uit het vlak worden geplooid. Tot dusver, de resulterende rimpelende beweging was alleen waargenomen door indirecte spectroscopische metingen, maar nu konden de onderzoekers het voor hun ogen zien gebeuren, de beweging direct in echte ruimte en tijd volgen. Ze ontdekten dat de flips collectief plaatsvonden:de op- en neergaande beweging van een deeltje beïnvloedde die van alle andere deeltjes in de ring.

Met hetzelfde molecuul, de onderzoekers konden dan observeren hoe chemische reacties plaatsvonden. Er werd waargenomen dat de ring openging en zich vasthecht aan andere moleculen - een effect dat kan worden versterkt door een aantrekkelijk oppervlak aan de opstelling toe te voegen. Dat is, het oppervlak fungeerde als een katalysator, het verschaffen van inzicht - vrij letterlijk - in wat er gebeurt tijdens dergelijke katalytische reacties.

Klein genoeg en toch groot genoeg

Natuurlijk, de micrometergrootte van de modelatomen is nog steeds een factor 1000 of zo groter dan de sub-nanometergrootte van werkelijke atomen, maar het punt is dat ze klein genoeg zijn om willekeurige thermische beweging te ondergaan, en dit is wat ervoor zorgt dat chemische reacties plaatsvinden. Zoals Richard Feynman het in zijn lezingen beroemd maakte:"Alles wat levende wezens doen, kan worden begrepen in termen van het wiebelen en wiebelen van atomen"; en het is precies dit gekibbel en gekibbel, duidelijk waarneembaar bij het bekijken van de colloïdale atomen met een microscoop, die de moleculaire modelleringskit ter grootte van een micrometer onderscheiden van zijn tegenhanger die we kennen van de middelbare school.

Dus, de modelleringskit is een zeer nuttig hulpmiddel om "moleculen" rechtstreeks in hun natuurlijke habitat te observeren, en zou veel nuttige toepassingen moeten hebben. Naast het geven van een aantrekkelijke visualisatie van moleculen, de resultaten geven inzicht in de werking van geometrische katalysatoren op moleculaire reacties. Verder, de beschikbaarheid van de nieuwe kleine bouwstenen opent de deur naar het ontwerp van complexe nieuwe materialen, direct onder de microscoop, met tal van toepassingen variërend van kunstweefsel voor b.v. medische doeleinden tot functionele nanostructuren die in de technologie kunnen worden gebruikt.