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        未來(lái)納米工具的根本發(fā)現(xiàn) 化學(xué)家區(qū)分出多種弱力
        
			
        
				2019-12-13 10:41:14
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			  來(lái)源：
			
        
		
        
				
		
        
			
        建立一個(gè)小立方體的過(guò)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(tuán)。研究人員希望將這些知識(shí)應(yīng)用到未來(lái)的項(xiàng)目中，這些項(xiàng)目將設(shè)計(jì)能夠模仿生命的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
        

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

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

        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(mèng)想是控制分散力，并提供一種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原理來(lái)使用分散力來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的自組裝結(jié)構(gòu)，”研究的負(fù)責(zé)人平岡修一教授說(shuō)?；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(shí))，無(wú)法測(cè)量分散力。這種力量是如此之弱，以至于無(wú)法與其他正在發(fā)揮作用的力量區(qū)分開(kāi)來(lái)。
        

        但是，在新的實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用其自組裝納米立方體作為工具來(lái)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(duì)周圍電場(chǎng)的響應(yīng)性。每個(gè)完全組裝的納米立方體包含18個(gè)可極化原子。
        

        18個(gè)原子的組合效應(yīng)足以在色散力中產(chǎn)生可測(cè)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(gè)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(gè)納米立方體中18個(gè)極性可變的原子的綜合作用使研究人員能夠測(cè)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(cè)量分子結(jié)合在一起時(shí)釋放的熱量后，以數(shù)學(xué)方式計(jì)算出分散力。
        

        更多可極化的原子產(chǎn)生更強(qiáng)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(jì)值，分散力對(duì)立方體的吸引力和穩(wěn)定性比疏水作用貢獻(xiàn)0.6至2.2倍。
        

        研究人員計(jì)劃利用有關(guān)更多可極化原子的知識(shí)來(lái)創(chuàng)建更強(qiáng)的分散力，以設(shè)計(jì)具有更復(fù)雜形狀和功能增強(qiáng)的未來(lái)人工分子結(jié)構(gòu)。
        

        Hiraoka說(shuō)：“例如，我們可以設(shè)計(jì)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(guò)吸引分散力來(lái)增強(qiáng)整體穩(wěn)定性。”
        

        解決藥物設(shè)計(jì)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(cè)量結(jié)果應(yīng)與藥物設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的分散力的報(bào)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(qiáng)導(dǎo)致色散力增強(qiáng)。但是，在某些情況下，較小的氫實(shí)際上比重的氘具有更強(qiáng)的分散 力，但其他報(bào)告顯示，兩個(gè)原子之間的相對(duì)或相差很小。
        

        Hiraoka說(shuō)：“在我們的實(shí)驗(yàn)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(méi)有差別。”
        

        以前的研究與這些實(shí)驗(yàn)之間的本質(zhì)區(qū)別是，UTokyo團(tuán)隊(duì)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(jì)擴(kuò)大了效果。
        
			

			
          
        
			
        
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