Dos vías divergieron en una síntesis química, y una molécula los tomó a ambos. Los químicos de la Universidad de Tokio han estudiado cómo los bloques de construcción moleculares pueden formar una jaula esférica o una lámina ultrafina que muestra algunas de las propiedades básicas de un "inteligente""material que puede responder a su entorno.
"Esta molécula es interesante porque construye diferentes estructuras dependiendo de las condiciones cuando alcanza el punto de bifurcación de su síntesis", dijo el profesor Shuichi Hiraoka del Departamento de Ciencias Básicas. Los intereses de investigación de Hiraoka se refieren a cómo las moléculas se unen, incluyendoADN en células vivas o micelas, que se encuentran tanto en la naturaleza como en la industria cosmética.
El punto de bifurcación es una "bifurcación en el camino" de la ruta de síntesis química donde las mismas moléculas precursoras pueden conectarse de dos maneras diferentes para eventualmente formar diferentes estructuras finales. En la presente reacción, los precursores toman diferentes caminos dependiendo de la presenciao ausencia de una tercera molécula.
Las moléculas precursoras son átomos de metal de paladio y una molécula orgánica, 1,4-bis 3-piridiloxi benceno, hecha de tres anillos que pueden oscilar fácilmente entre una orientación en forma de S y una forma de C.
La tercera molécula cuya presencia o ausencia influye en el camino que toman los precursores es una molécula de anión cargada negativamente ya sea nitrato o triflato.
En presencia del anión, la molécula orgánica toma la forma de C y una a la vez, cuatro de esas C se unen en dos juntas tóricas, bloqueando el anión en una jaula esférica. Dos átomos de paladio atrapan las cuatro Cjuntos en la parte superior e inferior de la jaula.
Si el anión está ausente, la molécula orgánica oscila en forma de S y se conecta con otras moléculas en forma de S utilizando los átomos de paladio como enlaces. Eventualmente, forman láminas planas de aproximadamente 4 nanómetros de espesor y hasta 5 micrómetros de diámetro.
Sin embargo, cuando los investigadores agregan el anión a la hoja completa, las moléculas se reorganizarán lentamente en la formación de la jaula.
"La lámina está demostrando algunas cualidades muy primitivas de un material llamado inteligente, uno que puede detectar y responder a su entorno. Este cambio de las láminas del tamaño de un micrómetro a las jaulas del tamaño de un nanómetro es un cambio estructural muy dramático", dijo Hiraoka.
El equipo de investigación espera que su trabajo para comprender las propiedades químicas fundamentales de estas moléculas conduzca a la posibilidad de diseñar moléculas que puedan autoensamblarse y reorganizarse de forma independiente según las condiciones ambientales.
Las rutas dependen de la termodinámica y la cinética
Las formaciones de lámina y jaula son químicamente más estables de diferentes maneras. La formación de la jaula es más estable termodinámicamente, lo que significa que requeriría energía para salir de esa formación. La lámina es más cinéticamente estable que la jaula, lo que significa que las moléculas son lentascambiar de posición. Los investigadores están entusiasmados de haber desarrollado un sistema artificial que contiene las complejidades de estas diferentes estabilidades.
"Las reacciones de autoensamblaje natural complicadas en los sistemas vivos a menudo tienen control cinético", explica Hiraoka.
Las proteínas en los organismos vivos generalmente están atrapadas cinéticamente para permanecer en sus formaciones saludables, aunque sería más estable termodinámicamente para agregarse en grupos inútiles.
En el sistema artificial que estudió el equipo de investigación de Hiraoka, cuando las moléculas precursoras forman jaulas, las moléculas permanecen en esa posición final porque es la disposición de energía termodinámica más baja.
"La reacción en la etapa inicial para formar la jaula es muy rápida, lo que nos dice que el anión está actuando como una plantilla cinética para que los precursores formen la jaula", dijo Hiraoka.
Sin embargo, la reacción para formar la lámina avanza más lentamente y los investigadores dicen que las moléculas quedan atrapadas cinéticamente en la formación de la lámina sin la presencia del anión para proporcionar una plantilla que las atrae hacia la formación de la jaula.
Los investigadores planean continuar estudiando cómo se controla la vía de autoensamblaje y cómo manipular la influencia del efecto cinético y la estabilidad termodinámica.
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Materiales proporcionado por Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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