האיור מתאר מולקולות אלכוהול ומים הנספגות רק באחד משני סוגי הנקבוביות. קרדיט: האוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה
מחקר שנערך לאחרונה על ידי האוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה הציג מתודולוגיה פורצת דרך במדעי החומרים, השגת הרכבה עצמית של גבישים מולקולריים דו-נקביים באמצעות טכניקות מיון מתקדמות. חידוש זה סולל את הדרך לפיתוח חומרים רב תכליתיים עם יישומים מגוונים.
מסגרות מולקולריות מגוונות הידועות כמבנים על-מולקולריים בדידים מתפקדות כאבני בניין מיקרוסקופיים הניתנות להתאמה אישית עבור יישומים רבים. ניתן להשתמש במבנים אלה במתן תרופות, ליצור סביבות ייחודיות לתגובות קטליטיות, או להשתלב במכונות מולקולריות.
במאמרם שפורסם ב- כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיהחוקרים מהאוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה הציגו מתודולוגיה חדשה לקידום ההרכבה העצמית של חומרים על-מולקולריים דו-פונקציונליים.
הרכבה עצמית כוללת יצירה ספונטנית של ארכיטקטורה על-מולקולרית מוגדרת היטב ודיסקרטית מקבוצה נתונה של רכיבים תחת שיווי משקל תרמודינמי. בדרך כלל, שילוב בינארי של מבשרים, שכל אחד מהם נושא קבוצות פונקציונליות משלימות, מורכב למוצר יציב. מערכות מרובות רכיבים, הכוללות לפחות שני מבשרים בעלי קבוצות פונקציונליות זהות, נותרו בלתי נחקרות יחסית.
חקר מיון עצמי חברתי
מדענים חוקרים שיטות להרחיק מבשרים שונים עם אותן קבוצות תפקודיות למבנה על-מולקולרי מאוחד באמצעות "מיון עצמי חברתי". במיון עצמי חברתי, המעברים בין מערכות מורכבות ממוינות עצמית מחקים את הפונקציה הרגולטורית המצוי בטבע, המסוגלות להתנהגות זיהוי סלקטיבית אך מסתגלת.
כדי להשיג מטרה זו, חוקרים פיתחו גישות אסטרטגיות למניעת שילוב אקראי ו"מיון עצמי נרקיסיסטי", כאשר כל סוג של מבשר מתכנס למבנים עצמאיים.
גישה אחת היא באמצעות טכניקה הנקראת מיון עצמי כיראלי, המסתמכת על ההשלמה של הכיראליות (ידיות ימין או שמאל). כאשר משתמשים במבשר גזעי (תערובת של שתי מולקולות כיראליות הנקראות אננטיומרים), שני האננטיומרים משולבים לעתים קרובות במבנה יחיד.
מולקולות ימניות ושמאליות נוטות להתיישר לסירוגין כשהן מתגבשות, וניתן לסדר "מעין גזעים" שיש להם הבדלים מבניים קלים בין הצורה הימנית לשמאלית.
הישגים בפיתוח חומרים פונקציונליים
"מחקרים קודמים התמקדו בעיקר בהשגת היישור של מולקולות אלה, ויישום תופעה זו לפיתוח חומרים פונקציונליים היה אתגר", אמר הסופר המקביל Suguru Ito, פרופסור חבר להנדסה באוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה.
במחקר שלהם, הצוות של איטו חקר את סידור "קוואזי-גזעים" עם הבדלים מבניים קלים בין צורות ימנית ושמאלית כדי ליצור חומרים גבישיים עם נקבוביות בגדלים משתנים. המיון העצמי החברתי של שני זוגות מעין-גזעים הושג על ידי יצירת מולקולה בצורת טבעת עם ארבע מולקולות מחברות. טבעת יציבה זו מתקבלת באמצעות תגובה הפיכה בין קבוצות האלדהיד של ה-quasi-racemates לבין קבוצות האמינים של המולקולות המקשרות. כתוצאה מכך, המולקולות בצורת הטבעת יכולות להתגבש לגבישים מולקולריים נקבוביים הכוללים שני סוגים של נקבוביות דמויי צינור.
"זה מייצג הישג אבן דרך ביישום טכניקות הסידור של מולקולות ימניות ושמאליות ליצירת חומרים פונקציונליים", אמר איטו.
עיצוב חומרים נקבוביים עם מערכות דו-נקביות מהווה משימה מורכבת, אך חומרים כאלה הם בעלי ערך רב בשל הפונקציונליות המתקדמות שלהם. מכיוון שכל נקבובית ניתנת לפונקציונליות באופן מובהק, חומרים דו-נקביים מאפשרים מספר פונקציות בו-זמנית או עיצובים ספציפיים עבור יישומים מורכבים.
עדויות ניסויות אישרו כי הנקבוביות הכפולות הללו מציגות תכונות ספיחה שונות.
מחקר זה מדגיש את התועלת של קוואזי-גזעים בבניית מבנים על-מולקולריים ממוינים באופן חברתי עם שתי פונקציות שונות. יתר על כן, המתודולוגיה מכינה את הבמה ליצירת מחלקה חדשה של גבישים מולקולריים דו-נקביים.
"למיטב ידיעתנו, זהו הגביש המולקולרי הדו-נקבי הראשון שנוצר על ידי מאקרו-מחזורים ממוינים באופן חברתי", אמר איטו.
חקירות עתידיות ישאפו לפתח חומרים גבישיים רב תפקודיים שונים על ידי יישום הטכניקה של סידור מעין-גזעים.
"המטרה הסופית שלי היא לבסס שיטה לסידור מדויק של מולקולות אורגניות ולפתח חומרים גבישיים פונקציונליים שמועילים לחברה", אמר איטו.
המחקר נתמך על ידי סוכנות המדע והטכנולוגיה היפנית.
