Teadlased konstrueerisid maailma kõige väiksemate lülidega keti - milleks seda kasutada?
Juba aastakümneid on laboreis nähtud vaeva, et valmistada tõeline „molekulaarkett“ — omavahel lülidena ühendatud tillukeste rõngaste jada. 30. novembril teadusajakirjas Science ilmunud uurimuses kirjeldavad Chicago ülikooli uurijad esimest tõendatud meetodit sellise molekulaarahela loomiseks.
Paljusid omavahel ühendatud molekule liidavad jäigad kovalentsed sidemed, mitte vabalt liikuvad ketilülid. See omadus määrab aga suuresti, kuidas molekulide ahel liikuda saab.
„Kujutlege end langetamas oma peopesale hõbeketti: erinevalt jäigalt ühendatud helmejadast võtab see kergesti lameda loigu kuju ja võib peopesalt isegi maha voolata,“ rääkis Chicago ülikooli molekulaartehnika instituudi ja keemiateaduskonna professor ning uurimuse juhtiv autor Stuart Rowan.
Pikemad, omavahel ühendatud molekullülidest koosnevad ketid teeksid võimalikuks väga intrigeerivate omadustega materjalide või masinate loomise. Polümeerid — omavahel ühendatud korduvatest üksustest koosnevad materjalid — on argielus asendamatud, kuna moodustavad paljutki meis ja meie ümber, valkudest plastmassideni. Korduvate üksuste ühendamise uuenduslik viis avab enneolematuid tehnilisi perspektiive.
„Metallvarras on jäik, kuid samast materjalist valmistatud kett on väga paindlik,“ selgitas Chicago ülikooli järeldoktor ja uurimuse esimene autor Qiong Wu. „Keemilist koostist säilitades, kuid ülesehitust muutes on võimalik drastiliselt muuta materjali käitumist.“
Varem osati ühendada kuni seitset rõngast
Varasemad tehnikad — teiste hulgas selline, mille leiutaja oli üks 2016. aasta Nobeli keemiapreemia laureaatidest — võimaldasid omavahel katkematult ühendada maksimaalselt seitse rõngast. Kahest või kolmest lülist koosnevate juppide liitmise asemel kombineerib uus meetod hulka kinniseid lülisid ja lahtiseid silmuseid. Uurijad lisasid neile metalli-iooni, mis silmuseid ja rõngaid koos hoiab, käivitasid reaktsiooni, mis lahtised silmused sulges, ning eemaldasid seejärel metalli, paljastades hetkega mitmekümne lüli pikkuse ühendatud lülide ahela.
Kuna molekulaarketi koostisosad on tibatillukesed — iga lüli on umbes nanomeetrise läbimõõduga, s.t vähem kui saja aatomi laiune —, kulutas töörühm palju aega tõendamisele, et nende loodud ahela lülid tõepoolest vabalt pöörelda saavad. Eksperimentaalsete ja arvutusteaduslike tehnikate ühendamisel saadud tulemused veensid teadlaseid, et lülid liiguvadki eeldatud viisil.
Milleks sellist ketikest kasutada?
Mõned eksperdid on oletanud, et taolised ahelad võiksid hästi energiat neelata, mis on heli või muude võngete summutamise valdkonnas alati kasulik omadus. Väiksematesse konfiguratsioonidesse varisemine peaks neil võtma vähem energiat, kuna rõnga liigutamiseks on vaja vähem energiat kui kovalentsete sidemete manipuleerimiseks. Pole isegi välistatud, et molekulaarkette on võimalik panna mingisuguste stiimulite ajel lõõtsana paisuma ja kokku tõmbuma, mis on tillukeste masinate jaoks samuti oluline suutlikkus.
„See on tegelikult täiesti uus polümeeri-arhitektuur, mis lisaks kõigile polümeeride kasulikele omadustele nagu suur funktsionaalsus ja soveldatavus võib teha võimalikuks nende liikumise kooskõlatamise ja suunamise väga väikestes mastaapides,“ rõhutas uurimuse üks kaasautoreid, Chicago ülikooli magistriõppe-tudeng Phil Rauscher.
„Nüüd, kus me teame, kuidas neid valmistada, ootame kannatamatult võimalust molekulaarkettide omadusi uurida,“ lisas prof Rowan.
