Wetenschappers perfectioneren technieken voor het knopen van knopen met moleculaire draad

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

De groep van 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 je een touwtje gebruikt.

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

Het nieuwe onderzoek dat vandaag in een tijdschrift is gepubliceerd Natuur, laat zien hoe de wetenschappers natuurlijke moleculaire biologische processen konden nabootsen om in het laboratorium gemaakte alternatieven te vinden voor een reeks potentiële toepassingen. Biologie gebruikt ‘moleculaire assistenten’, chaperones genaamd, om eiwitten in geknoopte structuren te vouwen en de wetenschappers van Manchester 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 plekken binden aan een koperatoom; de drie paarse plaatsen binden aan een lutetiumatoom. Door de eindgroepen samen te voegen wordt het losmaken van de knoop voorkomen wanneer de metaalatomen worden verwijderd. “

Dezelfde groep had voorheen de kleinste knoop ter wereld in het huwelijksbootje gestoken en zette nu hun onderzoek hier voort door basismethoden te gebruiken die bekend zouden zijn bij iedereen die zich bij de Scouts voegde. Omdat ze verschillende soorten moleculaire knopen kunnen maken, moeten wetenschappers kunnen nagaan hoe knopen de sterkte en elasticiteit van materialen beïnvloeden, waardoor ze polymeerstrengen kunnen weven om nieuwe soorten materialen te genereren.

De sleutel was om bindingsplaatsen voor verschillende metaalionen langs de moleculaire streng te verspreiden. Wanneer een metalen atoom zich bindt aan specifieke plaatsen op de streng, zorgt het ervoor dat de streng vouwt, waardoor er een over-onder ‘wirwar’ in de draad ontstaat. Verschillende tangles vormen samen grotere knopen volgens de tangle-theorie (ontwikkeld door wiskundige John H. Conway, ook bekend van het ontwikkelen van ‘Game of Life’). Verschillende combinaties van metaalionen (koper en / of lutetium, of geen, lieten toe dat een van de drie verschillende knopen – een knoop, een klaverknoop en een drievoudige knoop – in dezelfde moleculaire streng werd gebonden.

Door de moleculaire streng in verschillende knopen te binden, verandert de eigenschappen ervan. Wanneer de streng in de strakste, meest complexe knoop is gebonden – de drievoudige knoop – kan hij twee metaalatomen tegelijk binden, een koperatoom en een lutetiumatoom. De lossere knopen (bijv. De klaverknoop en de onknoop) kunnen echter maar één metaalatoom tegelijk binden – ofwel één koperatoom, ofwel één lutetiumatoom. Onverwacht kan de metalen binding ook de manier veranderen waarop de geknoopte lus verstrengeld is, zoals een moleculair spel van de wieg van een kat.

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