像系鞋带一样容易地把分子系起来

时间:2020-02-28 19:28 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

像系鞋带一样容易地把分子系起来

虽然打结是件麻烦事,但当你系上鞋带或出海航行时,打结还是很有用的。在数学中,有不少于60亿个不同的潜在节点,但是在化学中呢?自20世纪70年代以来,科学家们一直试图将分子打结在一起,以创造新的、定制的机械性能,从而产生新的材料。第一次成功是在20年后,但这个过程仍然很艰难。

今天,来自瑞士日内瓦大学(UNIGE)的研究人员已经开发出一种简单而有效的分子打结技术,并首次观察到这种打结所导致的分子性质的变化。研究结果发表在欧洲期刊《化学》上,为材料设计和分子传递信息开辟了新的视角。

结当然有用。那化学呢?有可能把分子连接在一起吗?这一想法首次出现是在1971年,其目的是创造新的材料,这些材料的物理和机械性能的变化将导致这些互连。但直到1989年,2016年诺贝尔化学奖得主让-皮埃尔?索瓦奇(Jean-Pierre Sauvage)才成功。科学家们后来努力尝试形成结,但仍然具有挑战性。

UNIGE科学院有机化学系的研究员Fabien Cougnon解释说:“为了把分子连接在一起,你必须使用金属来连接分子,并将它们引导到一个非常特殊的路径上,形成需要打结的交叉点。”“但这是一个复杂的过程,经常导致原材料损失超过90%。由此产生的分子结最多只有几毫克,不足以制造新材料。”

疏水分子自己结合在一起

UNIGE的化学家们开发了一种新技术,可以很容易地制造出相互连接的分子。“我们将脂肪分子浸泡在加热到70度的水中。由于它们有疏水性,它们不惜一切代价试图逃离水,聚集在一起,通过自组装形成一个结,”威热科学院物理化学系的研究人员Tatu Kumpulainen说。

得益于这项新技术,日内瓦的化学家们可以毫不费力地制造出分子结,更重要的是,他们不会失去任何物质。Cougnon说:“我们将90%的基本试剂转化成绳结,这意味着我们可以对绳结引起的机械性能变化进行真正的分析,这是以前从未做过的。”虽然他们不能选择分子是如何打结的,但他们可以随心所欲地复制相同的结,因为相同的化学结构在水环境中总是会形成相同的结。

每个结都有自己的力学性能

既然分子打结变得容易了,研究人员该如何处理这些打结呢?形成它们有什么价值吗?为了检验这些连锁反应的影响,日内瓦的化学家们选择了一系列具有相同设计的分子:它们可以吸收紫外线、发出荧光,并且对一般环境,尤其是水的存在高度敏感。

Cougnon解释说:“我们创造了四个节点,从最简单的节点到最复杂的节点(0、2、3、4个交叉点),我们将它们与构成它们基础的参考分子进行了比较。”“为了做到这一点,我们首先使用核磁共振(NMR)来观察结的不同部分的硬度,以及它们相互之间的运动速度和方式。”科学家们发现了机械性能的第一个变化:结越复杂,它们移动的越少。

化学家们随后用光谱学来比较四个节点之间的光谱。“我们很快注意到松散的单节(零和两个交叉点)与参考分子的行为相同,”Kumpulainen继续说。“但当这些结更复杂时,这些分子——它们更紧密——就会改变它们的物理性质和颜色!”它们吸收和发射光线的方式与参考分子不同。”这种颜色的变化意味着科学家们可以直观地看到每个组件的具体机械性能,包括它的弹性、结构、运动或位置。

日内瓦的化学家们第一次发现打结的分子会改变机械性能。“我们现在希望能够控制这些从A到Z的变化,这样我们就可以使用这些节点,例如,作为环境属性的指标,”Kumpulainen说。现在在做十字路口的时候没有材料的损失,他们还计划用绳结的网络来建造新的材料,比如弹性材料。Cougnon总结道:“最后,我们可以考虑在结里传递信息,这要感谢结的一部分位置的简单改变,这将反映在整个结构中,并传递信息。”

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