Natuurkundigen zijn een stap dichter bij het beheersen van chemische reacties met één molecuul gekomen

Het beheersen van materie op atomair niveau heeft een grote stap voorwaarts gezet, dankzij nanotechnologieonderzoek door een internationaal team van wetenschappers onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Bath.

Deze vooruitgang heeft diepgaande gevolgen voor fundamenteel wetenschappelijk begrip. Het zal waarschijnlijk ook belangrijke praktische toepassingen hebben, zoals het transformeren van de manier waarop onderzoekers nieuwe medicijnen ontwikkelen.

Het beheersen van single-outcome-reacties met één molecuul is nu bijna routine in onderzoekslaboratoria over de hele wereld. Meer dan tien jaar geleden toonden onderzoekers van de technologiegigant IBM bijvoorbeeld hun vermogen om individuele atomen te manipuleren door ‘A boy and his atom’, de kleinste film ter wereld, te creëren. In de film werden afzonderlijke moleculen, bestaande uit twee aan elkaar gebonden atomen, 100 miljoen keer vergroot en frame voor frame gepositioneerd om een ​​stop-motionverhaal op atomaire schaal te vertellen.

Het bereiken van controle over chemische reacties met meerdere uitkomsten is echter ongrijpbaar gebleven. Dit is van belang omdat doorgaans slechts enkele uitkomsten van een chemische reactie nuttig zijn.

Tijdens de synthese van geneesmiddelen produceert een chemisch proces dat resulteert in “cyclisatie” bijvoorbeeld de gewenste therapeutische verbinding, terwijl “polymerisatie”, een ander resultaat, tot ongewenste bijproducten leidt.

Het nauwkeurig kunnen controleren van reacties om de gewenste resultaten te bevorderen en ongewenste bijproducten te verminderen, belooft de efficiëntie en duurzaamheid van farmaceutische processen te verbeteren.

Scanning-tunnelingmicroscopie

De nieuwe studie, gepubliceerd 28 november in het tijdschrift Natuurcommunicatietoont voor het eerst aan dat concurrerende uitkomsten van chemische reacties kunnen worden beïnvloed door gebruik te maken van de atomaire resolutie van een scanning tunneling microscoop (STM).

Conventionele microscopen gebruiken licht en lenzen om preparaten te vergroten, waardoor we ze met het blote oog of een camera kunnen bekijken. Als het echter gaat om atomen en moleculen, die kleiner zijn dan zelfs de kortste golflengten van zichtbaar licht, schieten traditionele methoden tekort.

Om deze kleine rijken te verkennen, wenden wetenschappers zich tot een scanning-tunnelingmicroscoop, die net als een platenspeler werkt.

Met een punt die zo fijn kan zijn als een enkel atoom, bewegen scanning-tunnelingmicroscopen over het oppervlak van een materiaal en meten ze eigenschappen zoals elektrische stroom om elk punt in kaart te brengen. Maar in plaats van de punt als de naald van een platenspeler in het oppervlak te drukken, zweeft de punt slechts een enkele atoombreedte erboven.

Wanneer ze zijn aangesloten op een stroombron, reizen elektronen langs de punt naar beneden en maken een kwantumsprong over de opening ter grootte van een atoom. Hoe dichter de punt bij het oppervlak is, hoe sterker de stroming; hoe verder weg het is, hoe zwakker de stroming.

Dankzij deze goed gedefinieerde relatie tussen de puntafstand en de stroom kan de microscoop het oppervlak van het atoom of molecuul meten en in kaart brengen op basis van de elektrische stroomsterkte. Terwijl de punt over het oppervlak beweegt, wordt een nauwkeurig, lijn voor lijn beeld van het oppervlak opgebouwd, waardoor details zichtbaar worden die onzichtbaar zijn voor conventionele lichtmicroscopen.

Reacties met één molecuul

Met behulp van de atomaire precisie van een scanning tunneling microscoop kunnen wetenschappers verder gaan dan het in kaart brengen van het oppervlak van een molecuul: ze kunnen zowel afzonderlijke atomen en moleculen herpositioneren als de waarschijnlijkheid van specifieke reactieroutes in individuele moleculen beïnvloeden en meten.

Dr. Kristina Rusimova, die de studie van het Departement Natuurkunde leidde, zei: “Normaal gesproken wordt STM-technologie gebruikt om individuele atomen en moleculen te herpositioneren, waardoor gerichte chemische interacties mogelijk worden, maar het vermogen om reacties met concurrerende uitkomsten te sturen bleef een uitdaging. Deze verschillende uitkomsten vinden plaats met bepaalde waarschijnlijkheden die worden bepaald door de kwantummechanica, vergelijkbaar met het gooien van een moleculaire dobbelsteen.

“Ons laatste onderzoek toont aan dat STM de waarschijnlijkheid van reactieresultaten kan beheersen door selectief ladingstoestanden en specifieke resonanties te manipuleren door middel van gerichte energie-injectie.”

Dr. Peter Sloan, hoofddocent bij de afdeling natuurkunde en co-auteur van de studie, zei: “We gebruikten de STM-tip om elektronen in tolueenmoleculen te injecteren, wat leidde tot het verbreken van chemische bindingen en ofwel een verschuiving naar een nabijgelegen locatie, of desorptie.

“We ontdekten dat de verhouding tussen deze twee uitkomsten werd bepaald door de energie van de geïnjecteerde elektronen. Deze energieafhankelijkheid stelde ons in staat controle te krijgen over de waarschijnlijkheid van elke reactie-uitkomst door de gerichte ‘verhitting’ van een tussenliggende moleculaire toestand, geleid door precieze energiedrempels en moleculaire barrières.”

Natuurkunde Ph.D. student Pieter Keenan, eerste auteur van de onderzoekspublicatie, zei: “De sleutel hier was het handhaven van identieke initiële omstandigheden voor de testreacties – passend bij de precieze injectieplaats en excitatietoestand – en vervolgens de uitkomsten variëren uitsluitend gebaseerd op de energie van de geïnjecteerde elektronen.

“Binnen de reactie van een enkel molecuul op de energie-input bepalen de verschillende reactiebarrières de waarschijnlijkheden van de reactie-uitkomsten. Door alleen de energie-input te veranderen, kunnen we met hoge precisie de uitkomst van een reactie waarschijnlijker maken dan de andere – op deze manier kunnen we ‘laden’.” de moleculaire dobbelstenen. ”

Professor Tillmann Klamroth van de Universiteit van Potsdam in Duitsland voegde hieraan toe: “Deze studie combineert geavanceerde theoretische modellering met experimentele precisie, wat leidt tot een baanbrekend begrip van de waarschijnlijkheden van de reacties op basis van het moleculaire energielandschap. Dit maakt de weg vrij voor verdere vooruitgang in de nanotechnologie.”

Vooruitkijkend zei Dr. Rusimova: “Met toepassingen in zowel de fundamentele als de toegepaste wetenschap vertegenwoordigt deze vooruitgang een belangrijke stap in de richting van volledig programmeerbare moleculaire systemen. We verwachten dat technieken zoals deze nieuwe grenzen zullen ontsluiten in de moleculaire productie, en deuren zullen openen voor innovaties in de geneeskunde. , schone energie en meer.”