未來納米工具的根本發(fā)現(xiàn) 化學(xué)家區(qū)分出多種弱力

建立一個小立方體的過程揭示了分子在自然環(huán)境中如何結(jié)合在一起的一些基本謎團。研究人員希望將這些知識應(yīng)用到未來的項目中，這些項目將設(shè)計能夠模仿生命的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

當(dāng)兩個被水包圍的分子彼此靠近時，它們最初的吸引力有時是由于排斥水的化學(xué)力(疏水作用)引起的。

一旦分子彼此靠近，但尚未正式鍵合，則弱得多的力即分散力就變得很重要。

“我們的夢想是控制分散力，并提供一種簡單的設(shè)計原理來使用分散力來構(gòu)建復(fù)雜的自組裝結(jié)構(gòu)，”研究的負責(zé)人平岡修一教授說?；A(chǔ)科學(xué)。

分散力是范德華力的一種，它是自然界中最弱的化學(xué)相互作用之一。盡管范德華力很弱，但很重要。它們可以幫助壁虎在墻壁上行走，并且在2018年被同一研究小組鑒定為將自組裝納米立方體的齒輪狀或雪花狀分子鎖定在一起。

在自然條件下(例如當(dāng)分子與水溶解時)，無法測量分散力。這種力量是如此之弱，以至于無法與其他正在發(fā)揮作用的力量區(qū)分開來。

但是，在新的實驗中，研究團隊使用其自組裝納米立方體作為工具來放大分散力的差異。

修改構(gòu)成立方體側(cè)面的分子以包含為其極化性選擇的原子，這意味著它們對周圍電場的響應(yīng)性。每個完全組裝的納米立方體包含18個可極化原子。

18個原子的組合效應(yīng)足以在色散力中產(chǎn)生可測量的差異，這取決于所連接的可極化原子。

在此圖中顯示了完全組裝的納米立方體。每個黃色X都是東京大學(xué)研究人員在其中使用了根據(jù)極化性選擇的不同原子的位置。每個納米立方體中18個極性可變的原子的綜合作用使研究人員能夠測量分散力的差異。圖片提供：CC-BY平岡修一。

在使用稱為等溫滴定量熱法的技術(shù)測量分子結(jié)合在一起時釋放的熱量后，以數(shù)學(xué)方式計算出分散力。

更多可極化的原子產(chǎn)生更強的分散力，并使納米立方體更穩(wěn)定。根據(jù)疏水作用的估計值，分散力對立方體的吸引力和穩(wěn)定性比疏水作用貢獻0.6至2.2倍。

研究人員計劃利用有關(guān)更多可極化原子的知識來創(chuàng)建更強的分散力，以設(shè)計具有更復(fù)雜形狀和功能增強的未來人工分子結(jié)構(gòu)。

Hiraoka說：“例如，我們可以設(shè)計具有更大結(jié)合表面積的分子，并沿著邊緣放置極性原子，從而通過吸引分散力來增強整體穩(wěn)定性。”

解決藥物設(shè)計之謎

Hiraoka指出，與氘(氫的“重”同位素)相比，用正常氫構(gòu)建的納米立方體的測量結(jié)果應(yīng)與藥物設(shè)計理論相關(guān)。其他小組的研究導(dǎo)致化學(xué)家之間關(guān)于氫與重兩倍的氘交換氫是否會產(chǎn)生更強的分散力的報道相互矛盾。

通常，較大的原子更容易極化，研究人員獲得的新數(shù)據(jù)表明極化性增強導(dǎo)致色散力增強。但是，在某些情況下，較小的氫實際上比重的氘具有更強的分散力，但其他報告顯示，兩個原子之間的相對或相差很小。

Hiraoka說：“在我們的實驗中，熵-焓差是完全平衡的。含氫或氘的納米立方體釋放的自由能基本相同，因此它們之間可能沒有差別。”

以前的研究與這些實驗之間的本質(zhì)區(qū)別是，UTokyo團隊使用了一種更逼真的條件，即可以用水溶解，并使用納米立方體設(shè)計擴大了效果。

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