Steve Granick, Directeur du IBS Center for Soft and Living Matter et Dr Huan Wang, Chercheur principal, rapport avec 5 collègues interdisciplinaires dans le numéro du 31 juillet de la revue Science que les réactions chimiques courantes accélèrent la diffusion brownienne en envoyant des ondulations à longue portée dans le solvant environnant.

Les découvertes violent un dogme central de la chimie, que la diffusion moléculaire et la réaction chimique ne sont pas liées. Observer que les molécules sont énergisées par réaction chimique est « nouveau et inconnu, " dit Granick. " Quand une substance se transforme en une autre en rompant et en formant des liens, cela fait en fait que les molécules se déplacent plus rapidement. C'est comme si les réactions chimiques se remuaient naturellement."

"Actuellement, la nature fait un excellent travail de production de machines moléculaires, mais dans le monde naturel, les scientifiques n'ont pas suffisamment compris comment concevoir cette propriété, " dit Wang. " Au-delà de la curiosité de comprendre le monde, nous espérons que cela pourra devenir utile dans la pratique pour guider la réflexion sur la transduction d'énergie chimique pour le mouvement moléculaire dans les liquides, pour la nanorobotique, médecine de précision et synthèse de matériaux plus écologiques."

Les ondulations inattendues générées par les réactions chimiques, surtout lorsqu'il est catalysé (accéléré par des substances elles-mêmes non consommées), propager à longue distance. Pour les chimistes et les physiciens, ce travail remet en question l'idée de manuel selon laquelle le mouvement moléculaire et la réaction chimique sont découplés, et que les réactions n'affectent que le voisinage proche. Pour les ingénieurs, ce travail montre une nouvelle approche puissante pour concevoir des nanomoteurs au niveau véritablement moléculaire.

Criblage de 15 réactions chimiques organiques, les chercheurs étudient les réactions chimiques qui sont des bêtes de somme avec une large application dans la chimie organique, industries pharmaceutiques et des matériaux. Par exemple, Les réactions « clic » aident à l'assemblage de bibliothèques de composés biomédicaux pour le criblage et la réaction de Grubbs est utilisée pour la fabrication de plastique. Leur impact économique est majeur. Les estimations indiquent que la majorité de tous les produits fabriqués nécessitent une catalyse quelque part dans leur séquence de production.

Wang a remarqué avec enthousiasme « Maintenant, nous sommes comme un bébé qui fait ses premiers pas et il y a tellement d'opportunités excitantes de faire grandir ce bébé."

En concevant leur étude, les chercheurs ont été bio-inspirés en remarquant que le mouvement peut être alimenté par des enzymes et d'autres moteurs moléculaires qui sont répandus dans les systèmes vivants. Les premiers travaux pionniers du Dr Ah-Young Jee dans le même centre de recherche l'ont montré. Mais il n'y avait pas de consensus parmi les scientifiques si ces rapports pouvaient être correctement étendus en dehors de la biologie. Analyser le problème, les chercheurs ont fait un risque élevé, argument très payant. Ils ont émis l'hypothèse que le phénomène constituerait une approche pour comprendre les machines moléculaires dans le monde réel.

Tester leur hypothèse, l'équipe a développé de nouvelles techniques analytiques. Professeur Tsvi Tlusty, un théoricien, ont prédit que les catalyseurs dans les gradients de réaction devraient migrer « vers le haut » dans le sens d'une moindre diffusivité. Professeur Yoon-Kyoung Cho, un expert en microfluidique, a conçu une puce microfluidique sur mesure pour tester cette idée. Dr Ruoyu Dong, un chercheur associé, réalisé des simulations numériques sur ordinateur. "Notre équipe interdisciplinaire a réagi incroyablement rapidement aux opportunités de recherche, grâce à la liberté de recherche de l'Institut coréen des sciences fondamentales, " dit Granick.

L'équipe présente des lignes directrices montrant que l'ampleur de l'augmentation de la diffusion dans différents systèmes dépend du taux de libération d'énergie. Ces lignes directrices peuvent être utiles dans la pratique pour estimer l'effet de réactions non encore testées. Au delà de ça, l'étude est très utile pour élargir la compréhension des matériaux actifs, un terme collectif qui fait traditionnellement référence à des choses comme les cellules et les micro-organismes.

Granick conclut :« Le domaine des matières actives, assez nouveau et en croissance rapide, s'enrichit de cette découverte que les réactions chimiques se comportent comme des nanonageurs constitués de molécules individuelles qui agitent la soupe réactionnelle. Le concept de matériaux actifs a montré sa valeur en remettant en cause un dogme central de la chimie. »

Ces résultats ont été publiés le 31 juillet. numéro 2020 de Science magazine. L'étude a été réalisée au IBS Center for Soft and Living Matter par les auteurs Huan Wang, Parc Myeonggon, Ruoyu Dong, Junyoung Kim, Yoon-Kyoung Cho, Tsvi Tlusty, et Steve Granick.