Recente ontwikkelingen in atoomkrachtmicroscopie hebben onderzoekers in staat gesteld mechanische krachten op individuele moleculen uit te oefenen om chemische reacties te induceren.

Een onderzoeksteam uit Spanje en Duitsland heeft nu een uniek algoritme ontwikkeld dat de minimale kracht bepaalt die nodig is om het optimale bindingsbreekpunt (BBP) op moleculair niveau te bereiken om mechanisch een chemische reactie te induceren. Ze rapporteren hun bevindingen deze week in The Journal of Chemical Physics .

Het algoritme kan op elk molecuul worden toegepast, inclusief biologische moleculen zoals eiwitten en anorganische moleculen. Hun onderzoek heeft implicaties voor tal van toepassingen, inclusief moleculaire machines, mechanisch veerkrachtige en zelfherstellende polymeren, stressgevoelige materialen en katalysatorontwerp. Het algoritme kan ook worden gebruikt om te onderzoeken hoe externe elektrische velden chemische reacties kunnen katalyseren en beheersen.

Bij het bestuderen van mechanisch-chemische processen, onderzoekers zoeken naar de mechanische respons van de minimale energiestructuur van het reactantmolecuul. Naarmate de externe kracht toeneemt, de minimale energie- en overgangstoestandstructuren op het door kracht gemodificeerde potentiële energie-oppervlak worden identiek en de structuur waar dit gebeurt is de gewilde BBP.

"Ons werk benadrukt dat er nog een reeks belangrijke punten bestaat op het potentiële energieoppervlak van een bepaald systeem, namelijk de BBP, waarmee rekening moet worden gehouden voor mechanisch-chemische toepassingen, " zei Wolfgang Quapp, een co-auteur van het artikel die eraan toevoegde dat BBP een nieuw concept is in de mechano-chemie.

De optimale BBP's van een potentieel energie-oppervlak zijn cruciaal, volgens Quapp, omdat ze informatie geven over de manier waarop trekkrachten moeten worden toegepast om chemische transformaties met de hoogst mogelijke efficiëntie en met zo min mogelijk kracht op gang te brengen.

de band, buiging en torsie van een molecuul hebben verschillende stijfheid. Daarom, bepalen van de krachtdragende scaffold van een molecuul, voorspellen, bijvoorbeeld, het punt van bindingsbreuk in een overbelast molecuul, betekent dat verschillende richtingen van de externe kracht moeten worden getest.

"Ons algoritme stelt onderzoekers in staat te identificeren welk deel van een molecuul het meest vatbaar is voor mechanische stress, en dus is het algoritme een belangrijke stap in het ontwerp van efficiëntere manieren om mechanische energie te gebruiken om chemische reacties te activeren, " zei Quapp. "Het belang van de optimale BBP ligt in het feit dat het de optimale richting en grootte van de trekkracht geeft. Hiervoor is een algoritme nodig om dit soort punten gemakkelijk te vinden."

Het algoritme is gebaseerd op Newton-trajecten, die afkomstig zijn van de wiskundige methode voor het berekenen van nullen van een functie. In het geval van BBP's, de Newton-trajecten bevinden zich in de buurt van het reactiepad van de betreffende chemische reactie.