Deux voies ont divergé dans une synthèse chimique, et une molécule les a pris tous les deux. Des chimistes de l'Université de Tokyo ont étudié comment les blocs de construction moléculaires peuvent former une cage sphérique ou une feuille ultrafine qui présente certaines des propriétés de base d'un matériau « intelligent » capable de réagir à son environnement.

"Cette molécule est intéressante car elle construit des structures différentes selon les conditions lorsqu'elle atteint le point de bifurcation de sa synthèse, " a déclaré le professeur Shuichi Hiraoka du Département des sciences fondamentales. Les intérêts de recherche de Hiraoka portent sur la façon dont les molécules s'assemblent, y compris l'ADN dans les cellules vivantes ou les micelles, dans la nature et dans l'industrie cosmétique.

Le point de bifurcation est une « fourche sur la route » de la voie de synthèse chimique où les mêmes molécules précurseurs peuvent se connecter de deux manières différentes pour finalement former différentes structures finales. Dans la présente réaction, les précurseurs empruntent des chemins différents selon la présence ou l'absence d'une troisième molécule.

Les molécules précurseurs sont des atomes de métal palladium et une molécule organique-1, 4-bis(3-pyridyloxy)benzène - composé de trois anneaux qui peuvent facilement basculer entre une orientation en forme de S et en forme de C.

La troisième molécule dont la présence ou l'absence influence le chemin emprunté par les précurseurs est une molécule anionique chargée négativement (nitrate ou triflate).

En présence de l'anion, la molécule organique prend la forme de C et une à la fois, quatre de ces C sont reliés entre eux en deux joints toriques, verrouiller l'anion dans une cage sphérique. Deux atomes de palladium verrouillent les quatre C ensemble en haut et en bas de la cage.

Si l'anion est absent, la molécule organique bascule en forme de S et se connecte avec d'autres molécules en forme de S en utilisant les atomes de palladium comme liens. Finalement, ils forment des feuilles plates d'environ 4 nanomètres d'épaisseur et jusqu'à 5 micromètres de diamètre.

Cependant, lorsque les chercheurs ajoutent l'anion à la feuille remplie, les molécules se réorganiseront lentement dans la formation de la cage.

"La feuille démontre certaines qualités très primitives d'un matériau dit intelligent, capable de détecter et de réagir à son environnement. Ce passage des feuilles de la taille du micromètre aux cages de la taille du nanomètre est un changement structurel très spectaculaire, " dit Hiraoka.

L'équipe de recherche espère que leur travail pour comprendre les propriétés chimiques fondamentales de ces molécules mènera à la possibilité de concevoir des molécules qui peuvent s'auto-assembler et se réorganiser indépendamment en fonction des conditions environnementales.

Les chemins dépendent de la thermodynamique et de la cinétique

Les formations de feuilles et de cages sont plus stables chimiquement de différentes manières. La formation de la cage est plus stable thermodynamiquement, ce qui signifie qu'il faudrait de l'énergie pour sortir de cette formation. La feuille est plus stable cinétiquement que la cage, ce qui signifie que les molécules sont lentes à changer de position. Les chercheurs sont ravis d'avoir développé un système artificiel qui contient les complexités de ces différentes stabilités.

"Les réactions d'auto-assemblage naturel compliquées dans les systèmes vivants ont souvent un contrôle cinétique, " explique Hiraoka.

Les protéines des organismes vivants sont généralement piégées cinétiquement pour rester dans leurs formations saines, même s'il serait plus thermodynamiquement stable de s'agréger en amas inutiles.

Dans le système artificiel étudié par l'équipe de recherche d'Hiraoka, lorsque les molécules précurseurs forment des cages, les molécules restent dans cette position finale car il s'agit de l'arrangement d'énergie thermodynamique le plus bas.

"La réaction au stade précoce pour former la cage est très rapide, ce qui nous dit que l'anion agit comme un modèle cinétique pour les précurseurs pour former la cage, " dit Hiraoka.

Cependant, la réaction pour former la feuille se déroule plus lentement et les chercheurs disent que les molécules sont piégées cinétiquement dans la formation de la feuille sans la présence de l'anion pour fournir un modèle qui les attire dans la formation de la cage.

Les chercheurs prévoient de continuer à étudier comment la voie d'auto-assemblage est contrôlée et comment manipuler l'influence de l'effet cinétique et de la stabilité thermodynamique.