C'è sempre una ragione per il modo in cui le molecole si formano e come sono modellate. Una volta che i ricercatori hanno compreso i legami nelle molecole, escogitano modi per utilizzare i materiali che formano al meglio, sbloccare nuove innovazioni per la scienza e la tecnologia.

Ma c'è un legame che ha messo in difficoltà gli scienziati:il legame tra alcuni tipi di metalli e il carbonio. Professore di Chimica Timothy Hanusa e Ph.D. lo studente Ross Koby ha deciso di replicare questo tipo unico di legame utilizzando la tecnologia di modellazione.

"Se potessimo far sì che i modelli molecolari formino la stessa forma delle molecole nella vita reale, saremmo in grado di capire perché i legami si formino in forme così irregolari, "Ha detto Hanusa.

Modificando i calcoli di modellazione e incorporando dati aggiuntivi, il team ha trovato nuovi fattori che spiegano la formazione, sfidare le teorie esistenti. Di recente hanno delineato la loro scoperta per il sito Web Science Trends.

I legami metallo e carbonio in questione si verificano in composti che sembrano biscotti Oreo:nel mezzo c'è il metallo, ed è circondato su entrambi i lati da anelli di carbonio. Proprio come con un biscotto Oreo, gli anelli sono generalmente paralleli ed equilibrati, mantenendo gli anelli caricati negativamente il più lontano possibile l'uno dall'altro. Ma in alcuni di questi composti, in particolare con metalli delle terre rare come il samario o metalli più pesanti come calcio e stronzio, gli anelli si inclinano l'uno verso l'altro, piegandosi in modo che quasi si tocchino da un lato.

Nel caso dei metalli delle terre rare, questo può essere spiegato dal legame covalente:i due lati della molecola condividono gli elettroni avanti e indietro, in uno schema come una figura 8 che è stata piegata al centro.

Ma per i metalli più pesanti con un legame più ionico, dove gli atomi si attraggono come due lati di un magnete, i lati caricati negativamente dovrebbero respingersi.

Gli scienziati hanno precedentemente spiegato questo con qualcosa chiamato fenomeno di interazione di dispersione, il che significa che anche gli atomi che si respingono nelle immediate vicinanze sono effettivamente attratti l'uno dall'altro a distanze maggiori. È un'interazione debole che non è sempre considerata molto bene nella tecnologia di modellazione.

Hanusa e Koby hanno testato questa teoria apportando alcuni grandi cambiamenti nei calcoli di modellazione. Primo, hanno usato descrizioni più complete degli elettroni nei centri metallici delle molecole (la crema che riempie il biscotto) per vedere se potevano influenzare il legame o causare la piegatura.

Prossimo, hanno usato un nuovo calcolo che è totalmente privo di dispersioni. Considerando che i vecchi modelli possono o non possono aver incluso l'effetto della dispersione, il nuovo modello annulla assolutamente l'effetto. Quel modo, i ricercatori possono eseguire i modelli senza dispersione, e poi riaccendilo per vedere come cambia il modello.

Ciò che hanno trovato con il nuovo modello ha confermato la teoria secondo cui i legami metallo/carbonio delle terre rare si trovano all'estremità più covalente dello spettro. Queste molecole sono state naturalmente piegate anche quando l'effetto di dispersione è stato disattivato.

Le molecole di metalli pesanti/carbonio invece, mostrato qualcosa di nuovo. I modelli molecolari si piegano anche senza l'effetto di dispersione, non tanto quanto nella vita reale, ma abbastanza per mostrare che gli elettroni del metallo centrale stavano causando una certa flessione. Quando è stato attivato anche l'effetto di dispersione, i modelli molecolari si piegano proprio come fanno le molecole reali. Ciò significa che sia gli effetti di dispersione che quelli covalenti fanno piegare questa molecola.

I nuovi calcoli mostrano come la dispersione e gli effetti covalenti possono lavorare insieme per modificare la struttura delle molecole. Ciò ha implicazioni significative in molte aree della chimica, dalla determinazione dei punti di ebollizione dei liquidi all'influenza sul ripiegamento delle proteine. Grazie a questa nuova ricerca, gli scienziati possono ora descrivere le molecole in modo più accurato e capire perché si comportano e reagiscono in determinati modi.