Virkningerne af at stramme en molekylær knude

18. januar 2023 (Nanowerk nyheder) En undersøgelse udført af Anne-Sophie Duwez og Damien Sluysmans fra NANOCHEM-gruppen ved universitetet i Liège har gjort det muligt at afkode den mekaniske respons af små-molekylære syntetiske overhånds-knuder ved hjælp af enkelt-molekyle-træk-eksperimenter. Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet chem ("Mekanisk stramning af en syntetisk molekylær knude") og fremhævet i Natur ("Bundet, men robust: syntetiske knuder viser deres styrke"), har relevans for design af udvidede knudrede og molekylært vævede materialer. Et molekyle kan bindes til en simpel knude kaldet en trefoil og stabiliseres med et atom (sort; kunstnerens indtryk) af det sjældne jordarters grundstof lutetium. (Billede: Anne-Sophie Duwez og Pierre Ledent) Knuder er grundlæggende elementer i strukturen og findes overalt: enten i øvrigt, som sammenfiltrede computerkabler, eller til en meget specifik funktion som snørebånd eller snesevis af kunstfærdige knob, der bruges af sømænd. På det videnskabelige niveau eksisterer knudrede strukturer på forskellige områder så forskellige som kolloider (en blanding, hvor et eller flere mikroskopiske stoffer er spredt i et andet stof, normalt flydende), flydende krystaller, optiske stråler, sæbefilm, supervæsker og for at forklare oprindelsen af det tidlige univers. Knuder på molekylært niveau forekommer også i DNA, RNA, proteiner og polymerer af tilstrækkelig længde og fleksibilitet. "Inden for kemi er knuder stadig en kuriosum, som få kemikere har hørt om, selv om organiske kemikere nu er i stand til at syntetisere forskellige typer kunstige knuder i små molekyler, hvoraf de mest berømte er trefoils, pentafoils og figur-otte knob. ”, forklarer Anne-Sophie Duwez, professor i kemi og leder af NANOCHEM-gruppen (MolSys / Det Naturvidenskabelige Fakultet) ved ULiège. "Sidste år er en trefoil-of-trefoils (en triskelion) indeholdende tolv alternerende krydsninger blevet syntetiseret. Disse er ekstremt sofistikerede skabelonsynteser, baseret på den kontrollerede foldning af dele af molekyler omkring metalioner. Disse kunstige knob har vist lovende egenskaber for anion (negativ ion) binding, membrantransport, katalyse, materialer, nanoterapeutika og den kinetiske stabilisering af supramolekylære strukturer." Mens sådanne sammenfiltringer vides at påvirke molekylstørrelse og -form, stabilitet, modstandsdygtighed over for mekanisk stress og adfærd under rumlig indeslutning, er meget af forståelsen af ​​hvordan og hvorfor stadig uklar. Kvantificering af knobs respons på ekstern stress er central for både deres anvendelighed og begrænsninger. I en undersøgelse offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift chem, rapporterer ULiège-forskerne om kraftresponsen af ​​syntetiske små molekyle overhånds (åbne trefoils) knuder syntetiseret af gruppen af ​​prof. David A. Leigh (University of Manchester, UK og East China Normal University, Shanghai) ved stramning. "Vi brugte enkelt-molekyle kraftspektroskopi ved hjælp af et AFM-type mikroskop," forklarer Damien Sluysmans, foredragsholder og forsker i NANOCHEM gruppen, "en state-of-the-art teknik udviklet af vores gruppe for dens udvikling af syntetiske små molekyler, at få hidtil uset information om stramningsmekanismen. Vi har vist, at denne mekanisme er forbundet med en høj modstandskraft og relativ stivhed sammenlignet med større biologiske knob og kan moduleres af det kemiske miljø." Afbildning af grænsefladen af ​​den molekylære knude mellem AFM-spidsen og substratet. Knuden (i blåt) konformationen opretholdes ved koordinering til en Lu3+ ion (i grøn). To poly(ethylenglycol)-kæder bruges som tøjring til at fange knuden mellem spidsen og substratet. Den mekaniske stramning af knuden er forbundet med en trinvis afstand på 1.1 nm. (Billede: Anne-Sophie Duwez og Pierre Ledent) Med støtte fra kvantekemiske beregninger udført af gruppen af ​​prof. Francesco Zerbetto (Universitetet i Bologna, Italien), kunne de påvise, at det centrale metalkoordinationsatom spiller en afgørende rolle i stramningsprocessen, og i den omvendte proces, der genopretter den oprindelige knudede konformation. På grund af den kompakte struktur er den fuldstændige genopretning af konformation efter mekanisk forstyrrelse meget hurtig. “Opstramningen har også vist sig at spille en vigtig rolle for at imødekomme mekanisk belastning. Det giver en reserve af udvidelsesmuligheder. Den ekstra energi, som den knudrede streng kan absorbere i forhold til en uknyttet streng, er omkring 13 kcal pr. mol”, fortsætter Anne-Sophie Duwez. Disse resultater illustrerer den relative stivhed af disse små molekyle syntetiske knob, såvel som deres høje modstand mod eksterne mekaniske belastninger sammenlignet med biologiske knob. Den højere strækbarhed af det knudrede molekyle og den ekstra energi, som det kan rumme som reaktion på mekaniske forstyrrelser sammenlignet med et uknyttet molekyle, burde være relevant for design af udvidede knudrede og vævede 2D- og 3D-materialer.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62195.php