Dans leur recherche de molécules avec certaines caractéristiques, les chimistes ont produit des millions de nouveaux, des matériaux synthétiques de plus en plus complexes en modifiant les structures chimiques des molécules.

S'inspirant de la nature, Des chercheurs de la Northwestern University ont récemment testé une nouvelle méthode pour obtenir les propriétés moléculaires qu'ils recherchent :en modifiant la géométrie de la surface à laquelle les molécules sont liées.

"Pendant des années, les chimistes ont fabriqué des molécules pour résoudre des problèmes - chacune plus compliquée que la précédente du point de vue synthétique - mais nous ne sommes toujours pas près de réaliser ce que la nature peut faire avec une chimie beaucoup plus simple, '", a déclaré Bartosz A. Grzybowski, Kenneth Burgess Professeur de génie chimique et biologique et de chimie à la McCormick School of Engineering and Applied Science de Northwestern. « L'élément le plus complexe de la vie dans la nature, la protéine, est composé de seulement 21 acides aminés simples. Cette recherche explore l'idée que ce n'est pas la molécule que vous avez qui est importante, c'est ainsi qu'il interagit avec son environnement."

En utilisant cette idée, les chercheurs ont développé une technique dans laquelle un seul type de molécule est placé sur des nanoparticules avec deux régions de courbure différentes. Bien que les molécules soient atomiquement identiques, ils présentent des propriétés chimiques uniques en fonction de la région de courbure à laquelle ils sont liés.

Un article décrivant la recherche, "La courbure géométrique contrôle l'inégalité chimique et l'auto-assemblage des nanoparticules, " a été publié le 18 août dans Nature Nanotechnologie .

Les chercheurs ont commencé par apposer des molécules d'un acide carboxylique en différents points sur plusieurs nanoparticules d'or, certains aussi petits que cinq nanomètres de diamètre. Chaque nanoparticule possédait une géométrie différente. Sur des nanoparticules présentant une plus grande courbure, les molécules étaient naturellement espacées les unes des autres; sur des nanoparticules à courbure plus progressive, ils étaient plus proches.

Les différences de courbure influencent la distance entre les molécules, permettant aux chercheurs d'induire ce que l'on appelle des "patchiness" sur des nanoparticules cylindriques et en forme d'haltère. Essentiellement, les molécules peuvent se "sentir" par des interactions électrostatiques répulsives et, comme les acides carboxyliques sont dépronés, la difficulté d'ajouter plus de charges sur les nanoparticules est contrôlée par l'encombrement des molécules. Ces nanoparticules « parcellaires » peuvent interagir et s'auto-assembler de manière directionnelle, imitant les liaisons moléculaires chimiques et, les chercheurs ont trouvé, changer lorsque la charge de ces molécules attachées change.

« Modifier les propriétés moléculaires en modifiant les environnements au lieu de la structure moléculaire pourrait permettre aux scientifiques d'accomplir davantage avec une bibliothèque plus petite de molécules déjà existantes, et pourrait offrir des alternatives aux procédés chimiques qui nécessitent souvent des produits chimiques toxiques, " a déclaré David Walker, un étudiant diplômé du département de génie chimique et biologique de McCormick et le premier auteur de l'article.

Le phénomène de courbure est spécifique à l'échelle nanométrique, où la plupart de la chimie dans les systèmes biologiques est effectuée, et commence à échouer pour les nanoparticules de plus de 10 nanomètres de diamètre, les chercheurs ont dit. "Les plus grosses particules ont des courbures qui sont tout simplement trop subtiles pour que les molécules en ressentent l'effet, de la même manière que les humains pourraient percevoir la Terre comme étant plate, même si nous savons maintenant mieux, ", a déclaré Walker.

Les chercheurs travaillent actuellement à étendre les travaux à d'autres classes de molécules qui pourraient être bénéfiques à des fins de catalyse et d'énergie.