Onderzoekers hebben twee soorten bouwstenen van nanoformaat ontworpen die automatisch in kubussen kunnen worden verbonden en terug kunnen klauteren in afzonderlijke componenten op basis van de temperatuur van hun omgeving. Deze prestatie is een volgende stap in de richting van chemische systemen die het leven realistischer nabootsen.

"Stel je voor dat je twee vloeistoffen met elkaar mengt, zoals inkt en water. Ze zullen automatisch het eenvoudige chemische proces van dispergeren uitvoeren totdat ze perfect gemengd zijn, " zei professor Shuichi Hiraoka van de afdeling Basiswetenschappen van de Universiteit van Tokyo.

"Echter, er is geen chemisch proces om automatisch water en inkt te scheiden - je moet het water in een gas koken om het van de inkt te scheiden, " hij voegde toe.

De nieuwe bouwstenen die door het team van Hiroka zijn ontworpen, kunnen zichzelf automatisch verbinden of door elkaar gooien vanwege de verschillende temperatuurstabiliteiten van de kubussen die ze vormen.

De twee soorten bouwstenen zijn bijna identiek en hebben de vorm van sneeuwvlokken. Onderzoekers kleuren ze rood of blauw in schematische diagrammen. Een kubus samengesteld uit rode blokken is stabiel onder de 130 graden Celsius (266 graden Fahrenheit), terwijl een kubus samengesteld uit blauwe blokken alleen stabiel is onder 65 graden Celsius (149 graden Fahrenheit).

Wanneer apart gehouden, de bouwstenen verbinden zich tot geheel rode of geheel blauwe uniforme kubussen.

Wanneer de twee soorten kubussen bij kamertemperatuur (25 graden Celsius, 77 graden Fahrenheit), de rode en blauwe bouwstenen recombineren automatisch tot het meest stabiele type kubussen, die zijn gemaakt van een combinatie van drie rode en drie blauwe blokken. Dit mengsel van rood-blauwe blokjes is analoog aan goed gemengde inkt en water.

Wanneer onderzoekers de rood-blauwe kubussen willen vervormen om volledig rode en volledig blauwe kubussen te hervormen, ze doen een eenvoudige temperatuurverandering in twee stappen. Dit vermogen vertegenwoordigt een chemische prestatie die niet mogelijk is met een mengsel van inkt en water.

Eerst, ze verhitten het mengsel tot het kookt (100 graden Celsius, 212 graden Fahrenheit). De blauwe blokjes worden onstabiel en drijven weg als individuele moleculen, terwijl de rode bouwstenen opnieuw worden gecombineerd tot volledig rode kubussen.

Vervolgens, onderzoekers koelen het mengsel snel af (0 graden Celsius, 32 graden Fahrenheit) zodat de rode kubussen bij elkaar blijven terwijl de blauwe bouwstenen automatisch in volledig blauwe kubussen assembleren.

Onderzoekers kunnen ook voorkomen dat een mengsel van volledig rode en volledig blauwe kubussen in de stabielere rood-blauwe gemengde kubussen klautert door de kubussen met iets te vullen, bijvoorbeeld andere moleculen zoals koolwaterstoffen. De gastmoleculen vergrendelen de kubussen effectief van binnenuit, zodat de bouwstenen niet in andere, stabielere kubuscombinaties.

"In de toekomst, we zijn van plan een nog ingewikkelder chemisch systeem te ontwikkelen op basis van moleculaire kubussen, gebruik makend van het unieke zelfmontagevermogen en een verscheidenheid aan energiebronnen die verder gaan dan alleen warmte, ' zei Hiraoka.