science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Kleverige golven - moleculaire interacties op nanoschaal

Een nauwkeurige beschrijving van de van der Waals-krachten tussen objecten op nanoschaal moet rekening houden met de elektrostatische interacties tussen golfachtige fluctuaties in de ladingsdichtheid. Deze krachten zijn alomtegenwoordig van aard en beïnvloeden de chemische en fysische eigenschappen van systemen in de chemie, biologie, natuurkunde en materiaalkunde. Krediet:Robert DiStasio/Alexandre Tkatchenko

Zoals de zwaartekrachten die verantwoordelijk zijn voor de aantrekkingskracht tussen de aarde en de maan, evenals de dynamiek van het hele zonnestelsel, er bestaan ​​aantrekkingskrachten tussen objecten op nanoschaal.

Dit zijn de zogenaamde van der Waals-krachten, die alomtegenwoordig van aard zijn en waarvan wordt gedacht dat ze een cruciale rol spelen bij het bepalen van de structuur, stabiliteit en functie van een grote verscheidenheid aan systemen op het gebied van biologie, scheikunde, natuurkunde en materiaalkunde.

"Simpel gezegd, elk moleculair systeem en elk materiaal in de natuur ervaart deze krachten, " zei Robert A. DiStasio Jr., assistent-professor scheikunde en chemische biologie aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen. "In feite, we ontdekken dat hun invloed vrij groot is, en omvat eiwit-geneesmiddel interacties, de stabiliteit van de dubbele DNA-helix, en zelfs de eigenaardige hechtingseigenschappen van de gekko's voet."

In vergelijking met de covalente binding (die het delen van elektronenparen tussen atomen inhoudt), van der Waals-krachten zijn relatief zwak en komen voort uit onmiddellijke elektrostatische interacties tussen de fluctuerende elektronenwolken die microscopische objecten omringen. Echter, deze krachten zijn nog steeds van kwantummechanische oorsprong en hebben tot op heden een aanzienlijke uitdaging gevormd voor zowel theorie als experiment.

In een krant in het nummer van 11 maart van Wetenschap , DiStasio en medewerker Alexandre Tkatchenko van de Universiteit van Luxemburg en het Fritz Haber Instituut hebben een nieuw voorstel gedaan voor het beschrijven van van der Waals-krachten tussen objecten op nanoschaal.

In het algemeen, er zijn twee stromingen met betrekking tot deze krachten. De overheersende beschrijving van van der Waals-interacties bij de meeste chemici en biologen is het beeld van twee geïnduceerde elektrische dipolen, vergelijkbaar met de N- en S-polen van een magneet, die de ongelijke verdelingen van positieve en negatieve ladingen vertegenwoordigen. Het beeld dat door veel natuurkundigen wordt omarmd, echter, draait om het feit dat golfachtige vacuümfluctuaties verantwoordelijk zijn voor de van der Waals-interacties tussen grotere macroscopische objecten.

In hun werk, DiStasio en Tkatchenko tonen aan dat deze fundamentele krachten tussen nanostructuren ook moeten worden beschreven door de elektrostatische interacties tussen golfachtige (of gedelokaliseerde) fluctuaties in de ladingsdichtheid in plaats van de eerder genoemde deeltjesachtige (of lokale) geïnduceerde dipolen. Ze geloven dat hun werk kan helpen om de kloof tussen deze twee geloofssystemen te overbruggen, en helpen wetenschappers de interacties tussen objecten op nanoschaal te begrijpen en te beheersen.

"Ons werk toont aan dat er een veel grotere verscheidenheid aan systemen is, zoals nanogestructureerde systemen, waarbij je bij de van der Waalskracht moet denken in termen van interacties tussen golven in plaats van interacties tussen deeltjes, ' zei Tkatchenko.

Paul McEuen, de John A. Newman Professor of Physical Science en directeur van het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science, ziet het onderzoek van het duo als een belangrijke eerste stap in een lange, gecompliceerde reis naar wat McEuen half gekscherend omschreef als 'biologie oplossen'.

"Het klinkt als een nogal saai probleem, maar het is eigenlijk een heel belangrijk probleem, de manier waarop biomoleculen assembleren enzovoort, "zei McEuen. "Het is een enorm belangrijk probleem, vooral voor iemand zoals ik, wie is een nano-man, maar het zal tijd kosten om het op te lossen."

McEuen is enthousiast over het werk, en zei dat hij en DiStasio in de toekomst verwachten samen te werken aan gerelateerd onderzoek.

"Dit werk biedt een conceptueel kader, of gewone taal, dat biologen, chemici, natuurkundigen en materiaalwetenschappers kunnen gebruiken om van der Waals-krachten op nanoschaal te beschrijven, " zei DiStasio. "Het biedt ook een computationeel kader om nauwkeurig te voorspellen hoe deze alomtegenwoordige interacties de fysieke en chemische eigenschappen van materie beïnvloeden."