In hun zoektocht naar moleculen met bepaalde eigenschappen, scheikundigen hebben miljoenen nieuwe, steeds complexere synthetische materialen door de chemische structuren van moleculen te veranderen.

Aan de hand van de natuur, Onderzoekers van de Northwestern University hebben onlangs een nieuwe methode getest om de moleculaire eigenschappen te bereiken die ze zoeken:door de geometrie te veranderen van het oppervlak waaraan moleculen zijn gebonden.

"Al jaren maken scheikundigen moleculen om problemen op te lossen - elk synthetisch gecompliceerder dan de vorige - maar we zijn nog steeds niet in de buurt van het bereiken van wat de natuur kan doen met veel eenvoudigere chemie, '" zei Bartosz A. Grzybowski, Kenneth Burgess hoogleraar chemische en biologische technologie en scheikunde aan de Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science. "Natuur's meest complexe onderdeel van het leven, het eiwit, is gemaakt van slechts 21 eenvoudige aminozuren. Dit onderzoek verkent het idee dat niet het molecuul dat je hebt belangrijk is, het is hoe het omgaat met zijn omgeving."

Met behulp van dit idee, de onderzoekers ontwikkelden een techniek waarbij een enkel type molecuul op nanodeeltjes met twee verschillende krommingsgebieden wordt geplaatst. Hoewel de moleculen atomair identiek zijn, ze vertonen unieke chemische eigenschappen, afhankelijk van het krommingsgebied waaraan ze zijn gebonden.

Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, "Geometrische kromming regelt de chemische fragmentatie en zelfassemblage van nanodeeltjes, " werd gepubliceerd op 18 augustus in Natuur Nanotechnologie .

De onderzoekers begonnen met het aanbrengen van moleculen van een carbonzuur op verschillende punten op verschillende gouden nanodeeltjes, sommige zo klein als vijf nanometer in diameter. Elk nanodeeltje had een andere geometrie. Op nanodeeltjes die een grotere kromming vertonen, de moleculen waren van nature uit elkaar geplaatst; op nanodeeltjes met een meer geleidelijke kromming, ze waren dichter bij elkaar.

De verschillen in kromming beïnvloeden de afstand tussen de moleculen, waardoor het voor de onderzoekers mogelijk wordt om zogenaamde "patchiness" te induceren op cilindrische en haltervormige nanodeeltjes. Eigenlijk, de moleculen kunnen elkaar "voelen" door middel van afstotende elektrostatische interacties en, omdat de carbonzuren worden gedeproneerd, de moeilijkheid om meer ladingen aan de nanodeeltjes toe te voegen, wordt bepaald door hoe druk de moleculen zijn. Deze "fragmentarische" nanodeeltjes kunnen op elkaar inwerken en zichzelf directioneel assembleren, het nabootsen van chemische moleculaire bindingen - en, vonden de onderzoekers, veranderen wanneer de lading van deze aangehechte moleculen verandert.

"Het veranderen van moleculaire eigenschappen door het veranderen van omgevingen in plaats van moleculaire structuur zou wetenschappers kunnen bevrijden om meer te bereiken met een kleinere bibliotheek van reeds bestaande moleculen, en kan alternatieven bieden voor chemische processen waarvoor vaak giftige chemicaliën nodig zijn, " zei David Walker, een afgestudeerde student in McCormick's Department of Chemical and Biological Engineering en de eerste auteur van het artikel.

Het krommingsverschijnsel is specifiek voor de nanoschaal, waar de meeste chemie in biologische systemen wordt uitgevoerd, en begint te falen voor nanodeeltjes met een diameter van meer dan 10 nanometer, aldus de onderzoekers. "Grotere deeltjes hebben krommingen die gewoon te subtiel zijn voor de moleculen om het effect te voelen - vergelijkbaar met hoe mensen de aarde als plat zouden kunnen waarnemen, ook al weten we nu beter, ' zei Walker.

De onderzoekers werken momenteel aan het uitbreiden van het werk naar andere klassen van moleculen die gunstig kunnen zijn voor katalyse en energiedoeleinden.