La familiare tavola periodica degli elementi con ogni tipo di atomo mostrato come palline colorate. La dimensione di ciascun atomo nel modello CPK (sopra) è maggiore di quella del modello correlato Z (sotto), poiché si basa sulla distribuzione degli elettroni attorno a un atomo piuttosto che sulla dimensione del nucleo stesso. Questo è importante nella microscopia elettronica dove la nuvola di elettroni non è visibile. Credito:© 2021 Nakamura, Harano et al.
Esistono diversi modi per creare modelli bidimensionali e tridimensionali di atomi e molecole. Con l'avvento di apparati all'avanguardia in grado di visualizzare campioni su scala atomica, gli scienziati hanno scoperto che i modelli molecolari tradizionali non si adattavano alle immagini che vedevano. I ricercatori hanno escogitato un modo migliore per visualizzare le molecole basate su questi metodi tradizionali. I loro modelli si adattano bene ai dati di imaging che acquisiscono e sperano che i modelli possano quindi aiutare i chimici con la loro intuizione per interpretare le immagini molecolari.
Chiunque legga questo probabilmente ha familiarità con i tradizionali modelli di atomi e molecole a sfera e bastoncino, dove sfere di diverse dimensioni e colori rappresentano i vari nuclei atomici e i bastoncini rappresentano le proprietà dei legami tra gli atomi. Sebbene questi siano utili strumenti educativi, sono molto più semplici della realtà che riflettono. I chimici tendono a utilizzare modelli come il modello Corey–Pauling–Koltun (CPK), che è simile al modello ball-and-stick ma con le palle gonfiate in modo che si sovrappongano. Il modello CPK dice ai chimici di più sul modo in cui i componenti di una molecola interagiscono molto meglio rispetto al modello ball-and-stick.
Negli ultimi anni, è finalmente diventato possibile non solo catturare le strutture delle molecole, ma anche registrarne il movimento e le interazioni in video grazie a tecnologie come la microscopia elettronica a trasmissione a risoluzione atomica (AR-TEM). Questo è talvolta chiamato "scienza molecolare cinematografica". Tuttavia, è con questo salto nella nostra capacità di visualizzare l'invisibile che i modelli ball-and-stick o CPK diventano un ostacolo piuttosto che un aiuto. Quando i ricercatori del Dipartimento di Chimica dell'Università di Tokyo hanno cercato di adattare questi modelli alle immagini che stavano vedendo, si sono imbattuti in alcuni problemi.
"Il modello della palla e del bastone è troppo semplice per descrivere con precisione cosa sta realmente accadendo nelle nostre immagini", ha affermato il professor Koji Harano. "E il modello CPK, che mostra tecnicamente la diffusione della nuvola di elettroni attorno a un nucleo atomico, è troppo denso per discernere alcuni dettagli. Il motivo è che nessuno di questi modelli dimostra le reali dimensioni degli atomi mostrate dalle immagini di AR-TEM. "
Nelle immagini AR-TEM, la dimensione di ciascun atomo è direttamente correlata al peso atomico di quell'atomo, noto semplicemente come Z. Quindi il professor Eiichi Nakamura e il suo team hanno deciso di modificare un modello a sfera e bastone per adattarlo alle loro immagini, dove ogni nucleo il modello è stato dimensionato in base al numero Z del nucleo che rappresenta e lo ha chiamato modello molecolare correlato a Z (ZC). Hanno mantenuto lo stesso sistema di colori utilizzato nel modello CPK, originariamente introdotto dai chimici americani Robert Corey e Linus Pauling nel 1952.
"Un'immagine vale più di mille parole e puoi confrontare le immagini AR-TEM con la prima fotografia in assoluto di un buco nero", ha affermato Nakamura. "Entrambi mostrano la realtà come mai vista prima, ed entrambi sono molto meno chiari di come le persone probabilmente immaginano che dovrebbero apparire quelle cose. Questo è il motivo per cui i modelli sono così importanti, per colmare il divario tra immaginazione e realtà. Speriamo che la correlazione molecolare Z Il modello aiuterà i chimici ad analizzare le immagini del microscopio elettronico basate sull'intuizione senza nemmeno la necessità di calcoli teorici e ad aprire un nuovo mondo di "scienze molecolari cinematografiche"."
Lo studio è pubblicato negli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . + Esplora ulteriormente
