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未来纳米工具的根本发现 化学家区分出多种弱力

建立一个小立方体的过程揭示了分子在自然环境中如何结合在一起的一些基本谜团。研究人员希望将这些知识应用到未来的项目中,这些项目将设计能够模仿生命的复杂结构。

当两个被水包围的分子彼此靠近时,它们最初的吸引力有时是由于排斥水的化学力(疏水作用)引起的。

未来纳米工具的根本发现 化学家区分出多种弱力

一旦分子彼此靠近,但尚未正式键合,则弱得多的力即分散力就变得很重要。

“我们的梦想是控制分散力,并提供一种简单的设计原理来使用分散力来构建复杂的自组装结构,”研究的负责人平冈修一教授说。基础科学。

分散力是范德华力的一种,它是自然界中最弱的化学相互作用之一。尽管范德华力很弱,但很重要。它们可以帮助壁虎在墙壁上行走,并且在2018年被同一研究小组鉴定为将自组装纳米立方体的齿轮状或雪花状分子锁定在一起。

在自然条件下(例如当分子与水溶解时),无法测量分散力。这种力量是如此之弱,以至于无法与其他正在发挥作用的力量区分开来。

但是,在新的实验中,研究团队使用其自组装纳米立方体作为工具来放大分散力的差异。

修改构成立方体侧面的分子以包含为其极化性选择的原子,这意味着它们对周围电场的响应性。每个完全组装的纳米立方体包含18个可极化原子。

18个原子的组合效应足以在色散力中产生可测量的差异,这取决于所连接的可极化原子。

在此图中显示了完全组装的纳米立方体。每个黄色X都是东京大学研究人员在其中使用了根据极化性选择的不同原子的位置。每个纳米立方体中18个极性可变的原子的综合作用使研究人员能够测量分散力的差异。图片提供:CC-BY平冈修一。

在使用称为等温滴定量热法的技术测量分子结合在一起时释放的热量后,以数学方式计算出分散力。

更多可极化的原子产生更强的分散力,并使纳米立方体更稳定。根据疏水作用的估计值,分散力对立方体的吸引力和稳定性比疏水作用贡献0.6至2.2倍。

研究人员计划利用有关更多可极化原子的知识来创建更强的分散力,以设计具有更复杂形状和功能增强的未来人工分子结构。

Hiraoka说:“例如,我们可以设计具有更大结合表面积的分子,并沿着边缘放置极性原子,从而通过吸引分散力来增强整体稳定性。”

解决药物设计之谜

Hiraoka指出,与氘(氢的“重”同位素)相比,用正常氢构建的纳米立方体的测量结果应与药物设计理论相关。其他小组的研究导致化学家之间关于氢与重两倍的氘交换氢是否会产生更强的分散力的报道相互矛盾。

通常,较大的原子更容易极化,研究人员获得的新数据表明极化性增强导致色散力增强。但是,在某些情况下,较小的氢实际上比重的氘具有更强的分散 力,但其他报告显示,两个原子之间的相对或相差很小。

Hiraoka说:“在我们的实验中,熵-焓差是完全平衡的。含氢或氘的纳米立方体释放的自由能基本相同,因此它们之间可能没有差别。”

以前的研究与这些实验之间的本质区别是,UTokyo团队使用了一种更逼真的条件,即可以用水溶解,并使用纳米立方体设计扩大了效果。

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