El proceso de construcción de un cubo pequeño ha revelado algunos de los misterios fundamentales de cómo las moléculas se unen en entornos naturales. Los investigadores esperan aplicar este conocimiento a futuros proyectos que diseñen estructuras complejas que puedan imitar la vida.
Cuando dos moléculas rodeadas de agua se mueven una hacia la otra, parte de su atracción inicial a veces se debe a la fuerza química para repeler el agua, el efecto hidrofóbico.
Una vez que las moléculas están cerca unas de otras, pero aún no están unidas formalmente, una fuerza mucho más débil se vuelve importante: la fuerza de dispersión.
"Nuestro sueño es controlar la fuerza de dispersión y proporcionar un principio de diseño simple para usar la fuerza de dispersión para construir estructuras complejas de autoensamblaje", dijo el profesor Shuichi Hiraoka, líder del laboratorio donde se realizó la investigación en la Universidad de TokioDepartamento de Ciencias Básicas.
Las fuerzas de dispersión son un tipo de fuerzas de van der Waals, algunas de las interacciones químicas más débiles conocidas en la naturaleza. Aunque son débiles, las fuerzas de van der Waals son importantes; ayudan a los geckos a subir paredes y fueron identificados previamente en 2018 por el mismo grupo de investigacióncomo unir las moléculas en forma de engranaje o copo de nieve de los nanocubos autoensamblados.
Ha sido imposible medir la fuerza de dispersión en condiciones naturales, como cuando las moléculas están en solución con agua. La fuerza es tan débil que no se puede identificar por separado de las otras fuerzas en juego.
Sin embargo, en nuevos experimentos, el equipo de investigación utilizó sus nanocubos de autoensamblaje como herramientas para amplificar las diferencias en la fuerza de dispersión.
Las moléculas que forman los lados de los cubos se modificaron para contener átomos seleccionados por su polarización, lo que significa su capacidad de respuesta al campo eléctrico circundante. Cada nanocubo completamente ensamblado contenía 18 de esos átomos polarizables.
El efecto combinado de 18 átomos fue suficiente para crear diferencias medibles en la fuerza de dispersión dependiendo de qué átomo polarizable estaba unido.
La fuerza de dispersión se calcula matemáticamente después de usar una técnica llamada calorimetría de titulación isotérmica para medir la cantidad de calor liberado cuando las moléculas se unen.
Más átomos polarizables crearon fuerzas de dispersión más fuertes e hicieron que los nanocubos fueran más estables. Dependiendo del valor estimado del efecto hidrofóbico, la fuerza de dispersión aporta de 0.6 a 2.2 veces más fuerza de atracción y estabilidad al cubo que el efecto hidrofóbico.
Los investigadores planean utilizar este conocimiento sobre átomos más polarizables creando fuerzas de dispersión más fuertes para diseñar futuras estructuras moleculares artificiales con formas más complejas y funciones incrementadas.
"Por ejemplo, podríamos diseñar moléculas con áreas de superficie de unión más grandes y colocar átomos polares a lo largo de los bordes para mejorar la estabilidad general a través de la atracción de las fuerzas de dispersión", dijo Hiraoka.
Resolviendo un misterio en el diseño de drogas
Hiraoka afirma que las mediciones de los nanocubos construidos con hidrógeno normal en comparación con el deuterio, el isótopo "pesado" del hidrógeno, deberían ser relevantes para la teoría del diseño de fármacos. La investigación de otros grupos ha llevado a informes contradictorios entre los químicos sobre si el intercambio de hidrógeno con elel deuterio dos veces más pesado y más grande crearía una fuerza de dispersión más fuerte.
Como regla general, los átomos más grandes son más polarizables y los investigadores tenían nuevos datos que indicaban que una mayor polarización conducía a fuerzas de dispersión más fuertes. Sin embargo, en algunos casos, el hidrógeno más pequeño en realidad genera una fuerza de dispersión más fuerte que el deuterio pesado, pero otros informes mostraron lo contrarioo una diferencia insignificantemente pequeña entre los dos átomos.
"En nuestros experimentos, la diferencia entre entropía y entalpía está completamente equilibrada. La energía libre liberada por los nanocubos con hidrógeno o deuterio es esencialmente idéntica, por lo que puede que no haya diferencia entre ellos", dijo Hiraoka.
Una diferencia esencial entre la investigación previa y estos experimentos es que el equipo de UTokyo utilizó una condición más realista de estar en solución con agua y amplificó el efecto usando el diseño de nanocubos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :