Een groep scheikundigen uit Manchester heeft voor het eerst met succes een reeks microscopisch kleine knopen gelegd met behulp van individuele moleculen. het inluiden van de komst van een vorm van weven op nanoschaal die een nieuwe generatie geavanceerde materialen zou kunnen creëren.

De groep aan de Universiteit van Manchester heeft een manier ontwikkeld om een ​​kunstmatige moleculaire streng van 15 nanometer (15 miljoenste van een millimeter) in een van de drie verschillende knopen te binden, net alsof ze een touwtje gebruiken.

Een touwtje kan in verschillende knopen worden geknoopt, sommige met onderscheidende eigenschappen die kunnen worden gebruikt voor verschillende functies, van schoenveters tot stroppen, haperingen, bochten en stopknopen. Enkele van de meest geavanceerde apparatuur die ooit is ontwikkeld, inclusief de NASA Curiosity Rover gebruikt op Mars, gebruik knopen om belangrijke taken uit te voeren. Hoewel sommige DNA- en eiwitmoleculen in geknoopte vorm bestaan, voorheen was het niet mogelijk om een ​​molecuul in meer dan één complexe knoop te binden.

Het nieuwe onderzoek dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur , laat zien hoe de wetenschappers natuurlijke moleculair-biologische processen konden nabootsen om in het laboratorium gemaakte alternatieven voor een reeks potentiële toepassingen te bereiken. De biologie gebruikt 'moleculaire assistenten', chaperonnes genaamd, om eiwitten in geknoopte structuren te vouwen en de Manchester-wetenschappers pasten hetzelfde concept toe op een synthetische moleculaire streng met behulp van metaalatomen om het vouwproces te begeleiden.

Professor David Leigh, van de Universiteit van Manchester leidde het onderzoek, hij zei:"We waren in staat om verschillende knopen in een moleculaire streng te leggen door metaalatomen te gebruiken om de streng te vouwen en te verstrengelen. De twee groene plaatsen binden aan een koperatoom; de drie paarse plaatsen binden aan een lutetiumatoom. voorkomt dat de knoop losraakt wanneer de metaalatomen worden verwijderd."

Dezelfde groep had eerder 's werelds kleinste knoopje gelegd en vorderde nu hun onderzoek hier door basismethoden te gebruiken die bekend zouden zijn bij iedereen die zich bij de Scouts aansloot. Het kunnen maken van verschillende soorten moleculaire knopen betekent dat wetenschappers moeten kunnen onderzoeken hoe knopen de sterkte en elasticiteit van materialen beïnvloedt, waardoor ze polymeerstrengen kunnen weven om nieuwe soorten materialen te genereren.

De sleutel was om bindingsplaatsen voor verschillende metaalionen langs de moleculaire streng af te wisselen. Wanneer een metaalatoom zich bindt aan specifieke plaatsen op de streng, zorgt dit ervoor dat de streng vouwt, waardoor er een 'over-onder'-'kluwen' in de draad ontstaat. Verschillende tangles vormen samen grotere knopen volgens de tangle-theorie (ontwikkeld door wiskundige John H. Conway, ook bekend voor het ontwikkelen van 'Game of Life'). Verschillende combinaties van metaalionen (koper en/of lutetium, of geen, een van de drie verschillende knopen toegestaan ​​- een unknot, een klaverknoop, en een drie-twist-knoop - om in dezelfde moleculaire streng te worden vastgemaakt.

Door de moleculaire streng in verschillende knopen te binden, verandert de eigenschappen ervan. Wanneer de streng tot de strakste is vastgebonden, meest complexe, knoop - de drie-twist knoop - het kan twee metaalatomen tegelijk binden, een koperatoom en een lutetiumatoom. Echter, de lossere knopen (bijv. de klaverknoop en de niet-geknoopte) kunnen slechts één metaalatoom tegelijk binden - ofwel één koperatoom, of één lutetiumatoom. Onverwacht, de metalen binding kan ook de manier veranderen waarop de geknoopte lus verstrikt is, als een moleculair spel van de wieg van de kat.

Het vermogen om een ​​moleculaire streng in verschillende knopen te binden, en vervolgens de regio en mate van verstrengeling veranderen, opent nieuwe mogelijkheden en onderzoeksrichtingen voor het wijzigen van de functie en eigenschappen van andere moleculaire ketens, zoals polymeren en kunststoffen.