Naukowcy stworzyli łańcuch na poziomie molekularnym
Od lat naukowcy próbują stworzyć faktycznych łańcuch na na poziomie cząsteczkowym - ciąg powiązanych ze sobą malutkich okręgów. Badacze z Uniwersytetu w Chicago ogłosili właśnie na łamach czasopisma "Science", że udało im się tego dokonać za pomocą opracowanej przez nich specjalnej metody.
Wiele ciągów cząsteczek określanych jako "powiązane" jest tak naprawdę połącząnych za pomocą wiązań kowalencyjnych (połączeń opartych na wiążących parach elektronów, które należą do obu atomów), a nie dwóch swobodnie poruszających się, ale nierozdzielnych pierścieni. To rozróżnienie jest bardzo istotne z perspektywy tego, jak dany ciąg będzie się poruszał.
- Wyobraźmy sobie srebrny łańcuszek zwisający i ciąg przymocowanych do siebie koralików, które kładziemy na naszej dłoni. Ten pierwszy układa się o wiele plastyczniej, ale też może łatwo wyśliznąć się nam z ręki. Ciąg koralików jest znacznie mniej podatny - obrazuje różnicę Stuart Rowan, profesor w Instytucie Inżynierii Czątek (Institute for Molecular Engineering) Uniwersytetu w Chicago, główny autor publikacji. - Dłuższe łańcuchy mogą tworzyć materiały i urządzenia o niezwykłych właściwościach. Polimerowe materiały wykonane z ciągu taki samych, połączonych ze sobą jednostek są niezwykle użyteczne w przedmiotach codziennego użytku, stanowiąc podstawę tak różnych rzeczy jak tworzywa sztuczne i białka (proteiny). Nowy sposób na tworzenie takich ciągów jednostek otwiera przed inżynierią zupełnie nowe możliwości.
- Metalowy pręt jest sztywny, ale metalowy łańcuch, stworzony z tego samego materiału, jest przecież bardzo elastyczny - mówi dr Qiong Wu, pierwszy autor publikacji, badacz na stanowisku postdoktorskim w zespole prof. Rowana. - Utrzymując ten sam chemiczny skład, ale zmieniając architekturę materiału, możemy bardzo wyraźnie zmienić jego cechy i to, jak będzie reagował.
Dotychczasowe techniki - w tym ta, która przyniosła swojemu wynalazcy Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2016 roku - nie były wstanie przekroczyć liczby siedmiu połączonych pierścieni. Nowa metoda, zamiast prób łączenia zbiorów dwóch lub trzech pętli w większe łańcuchy, łączy naprzemiennie zamknięte obręcze i otwarte pętle. Obręcze i pętle łączone są za pomocą jonów jednego z metali, które pozwalają utrzymać je razem. Następnie wywoływana jest reakcja, w efekcie której pętle się zamykają. Teraz pozostaje tylko usunięcie jonów metalu i osiągamy co najmniej dwa tuziny pętli połączonych ze sobą.
Pętle nie są większe niż nanometr średnicy i tworzy je mniej niż sto atomów. Dlatego zespół z Uniwersytetu w Chicago spędził sporo czasu, żeby udowodnić słuszność działania, którego faktycznie nie da się zobaczyć. Połączenie metod eksperymentalnych i komputerowych pozwoliło jednak na upewnienie się co do rezultatów.
Zgodnie z prezentowanymi teoriami, tego typu łańcuchy bardzo skutecznie absorbują energię. To cecha porządana między innymi jeśli zależy nam na wytłumeniu dźwięków lub pochłonięciu drgań. Biorąc pod uwagę, że znacznie łatwiej poruszyć swobodnymi krążkami niż spójnymi wiązaniami kowalencyjnym, takie struktury powinny też zużywać niewielkie ilości energii, żeby osiągnąć określoną konfgurację. Wydaje się też możliwe, żeby tego typu łańcuchy pod wypływem bodźców mogły się rozszerzać i kurczyć, przypominając trochę akordeon. To wszystko bardzo obiecujące cechy na potrzeby produkcji molekularnych urządzeń.
- To naprawdę zupełnie nowy typ architektury polimerowej, mający wszystkie korzystne cechy polimerów, takie jak ogromny zakres zastosowań i możliwość dostrajania do konkretnych potrzeb, a dodatkowo posiadają możliwość dopasowywania i podlegają projektowaniu w minimalnej skali - dodaje Ohil Rauscher, student, członek zespołu prof. Rowana i współautor pracy.
- Kiedy już wiemy jak wykonać te łańcuchy, z niecierpliwością czekamy na to, jakie własności pokażą w zastosowaniu - dopowiada prof. Rowan.
Źródło badań: Qiong Wu et al. Poly[n]catenanes: Synthesis of molecular interlocked chains, Science (2017). DOI: 10.1126/science.aap7675
Opracowano (tekst i grafika) na podstawie artykułu Scientists craft world's tiniest interlinking chains opublikowanego na portalu phys.org.
