Onderzoekers hebben de zwakke moleculaire krachten geïdentificeerd die een klein, zelfbouwdoos met krachtige mogelijkheden. De studie demonstreert een praktische toepassing van een kracht die veel voorkomt in biologische systemen en bevordert het streven naar kunstmatig chemisch leven.

"Ik wil zelfassemblagesystemen begrijpen, die essentieel zijn voor het leven. Het bouwen van kunstmatige zelfassemblerende kubussen helpt ons te begrijpen hoe biologische systemen werken, " zei professor Shuichi Hiraoka, leider van het laboratorium aan de University of Tokyo Graduate School of Arts and Sciences waar de dozen werden ontworpen, gebouwd, en geanalyseerd.

De vorming van DNA en eiwitten zijn biologische voorbeelden van zelfassemblage, maar de krachten of processen die bepalen hoe deze natuurlijke moleculen samenkomen, blijven ook ongedefinieerd. Onderzoeken door Hiraoka's team dragen bij aan het chemisch begrip van hoe natuurlijke moleculen zichzelf kunnen assembleren en onthullen technieken om die processen in de toekomst na te bootsen.

Hiraoka en zijn team identificeerden de krachten die de zijkanten van hun kleine dozen bij elkaar hielden als Van der Waals-troepen, voornamelijk dispersiekrachten. Deze krachten zijn zwakke aantrekkingen tussen moleculen die ontstaan ​​wanneer elektronen zich tijdelijk aan één kant van een atoom groeperen. Gekko's kunnen gedeeltelijk tegen muren oplopen door van der Waals-krachten.

Elke zijde van de kubus is gevormd uit één molecuul met een diameter van 2 nanometer en de vorm van een zespuntige sneeuwvlok. Elke zijde is ongeveer een vierduizendste zo groot als een menselijke bloedcel. De zwakke krachten die de zijkanten van de kubus bij elkaar houden, maken de doos enigszins flexibel, dus het past zich aan om gastmoleculen het beste te accommoderen op basis van hun grootte, vorm, en atomaire lading. De doos kan uitpuilen om grote of lange inhoud vast te houden en kan samentrekken om extra ruimte te elimineren bij het hosten van gastmoleculen met negatieve lading(en).

"We hebben de gegevens nog niet, maar de logische conclusie is dat lange kettingachtige gastmoleculen op de een of andere manier vouwen om in de doos te komen, ' zei Hiraoka.

Onderzoekers bouwen de kleine doos uit moleculen hexafenylbenzeen. De individuele moleculen bestaan ​​als een droge, wit poeder. Wanneer gemengd met water, de moleculen assembleren zichzelf spontaan tot kubussen.

"In oplossing, de zes moleculen komen zo snel samen dat we niet kunnen zien hoe ze kubussen vormen. Het exacte proces van zelfassemblage blijft een mysterie, ' zei Hiraoka.

Een kubus die zichzelf in water kan assembleren, heeft het potentieel voor toekomstige biologische toepassingen. De hexafenylbenzeenkubus houdt ook bij elkaar, zelfs boven de kooktemperatuur van water, stabiel blijven tot 130 graden Celsius (266 graden Fahrenheit).

De zes punten van de sneeuwvlokvormige hexafenylbenzeenmoleculen sluiten aan elkaar wanneer ze samenkomen tot een kubus. Onderzoekers beschrijven het ontwerp van deze moleculaire doos als lijkend op de Japanse houtverbindingstechniek genaamd hozo , waar stukken hout bij elkaar worden gehouden zonder lijm of scharnieren, met alleen ingewikkelde in elkaar grijpende ontwerpen.

De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .