Steve Granick, Direttore dell'IBS Center for Soft and Living Matter e Dr. Huan Wang, Assegnista di ricerca senior, reportage insieme a 5 colleghi interdisciplinari nel numero del 31 luglio della rivista Scienza che le comuni reazioni chimiche accelerano la diffusione browniana inviando increspature a lungo raggio nel solvente circostante.

I risultati violano un dogma centrale della chimica, che la diffusione molecolare e la reazione chimica non sono correlate. Osservare che le molecole sono eccitate dalla reazione chimica è "nuovo e sconosciuto, " disse Granick. "Quando una sostanza si trasforma in un'altra rompendo e formando legami, questo fa sì che le molecole si muovano più rapidamente. È come se le reazioni chimiche si muovessero naturalmente".

"Attualmente, la natura fa un ottimo lavoro nel produrre macchine molecolari, ma nel mondo naturale gli scienziati non hanno capito abbastanza bene come progettare questa proprietà, " ha detto Wang. "Oltre la curiosità di capire il mondo, speriamo che praticamente questo possa diventare utile per guidare il pensiero sulla trasduzione dell'energia chimica per il movimento molecolare nei liquidi, per la nanorobotica, medicina di precisione e sintesi di materiali più ecologici."

Le inaspettate increspature generate dalle reazioni chimiche, soprattutto se catalizzata (accelerata da sostanze non consumate di per sé), propagarsi a lungo raggio. Per chimici e fisici, questo lavoro sfida la visione da manuale secondo cui il movimento molecolare e la reazione chimica sono disaccoppiati, e che le reazioni colpiscono solo le vicinanze vicine. Per gli ingegneri, questo lavoro mostra un nuovo e potente approccio alla progettazione di nanomotori a livello veramente molecolare.

Screening 15 reazioni chimiche organiche, i ricercatori studiano le reazioni chimiche che sono cavalli da lavoro con ampia applicazione all'interno della chimica organica, industrie farmaceutiche e dei materiali. Per esempio, Le reazioni 'click' assistono l'assemblaggio di librerie di composti biomedici per lo screening e la reazione di Grubbs viene utilizzata per la produzione di plastica. Il loro impatto economico è importante. Le stime indicano che la maggior parte di tutti i prodotti fabbricati richiede la catalisi da qualche parte nella sequenza di produzione.

Wang ha osservato con entusiasmo "Ora, siamo come un bambino che muove i suoi primi passi e ci sono così tante eccitanti opportunità per crescere questo bambino".

Nel progettare il loro studio, i ricercatori si sono ispirati alla biologia notando che il movimento può essere alimentato da enzimi e altri motori molecolari che sono prevalenti nei sistemi viventi. Il lavoro pionieristico precedente del Dr. Ah-Young Jee nello stesso centro di ricerca lo ha dimostrato. Ma non c'era consenso tra gli scienziati se questi rapporti potessero essere correttamente estesi al di fuori della biologia. Analizzando il problema, i ricercatori hanno fatto un alto rischio, argomento ad alto rendimento. Hanno ipotizzato che il fenomeno avrebbe formato un approccio per comprendere le macchine molecolari nel mondo reale.

Testare la loro ipotesi, il team ha sviluppato nuove tecniche analitiche. Professore Tsvi Tlusty, un teorico, hanno previsto che i catalizzatori nei gradienti di reazione dovrebbero migrare "in salita" nella direzione di una minore diffusività. Professor Yoon-Kyoung Cho, un esperto di microfluidica, ha progettato un chip microfluidico su misura per testare questa idea. Dottor Ruoyu Dong, un ricercatore, effettuate simulazioni numeriche al computer. "Il nostro team interdisciplinare ha risposto in modo incredibilmente rapido alle opportunità di ricerca, grazie alla libertà di ricerca dell'Istituto coreano per le scienze di base, ", ha detto Granick.

Il team presenta linee guida che mostrano che l'entità dell'aumento della diffusione in diversi sistemi dipende dal tasso di rilascio di energia. Queste linee guida possono essere utili praticamente per stimare l'effetto in reazioni non ancora testate. Oltre questo, lo studio è molto utile per ampliare la comprensione dei materiali attivi, un termine collettivo che tradizionalmente si riferisce a cose come cellule e microrganismi.

Granick ha concluso:"Il campo dei materiali attivi, abbastanza nuovo e in rapida crescita, si arricchisce di questa scoperta che le reazioni chimiche si comportano come nanonuotatori fatti di singole molecole che suscitano il brodo di reazione. Il concetto di materiali attivi ha mostrato il suo valore nello sfidare un dogma centrale della chimica".

Questi risultati sono stati pubblicati il ​​31 luglio numero 2020 di Scienza rivista. Lo studio è stato condotto presso l'IBS Center for Soft and Living Matter dagli autori Huan Wang, Parco Myeonggon, Ruoyu Dong, Junyoung Kim, Yoon Kyoung Cho, Tsvi Tlusty, e Steve Granick.