In questo quadro di potenziale superficie, la curva rossa è una via di reazione. I punti rosa sono i BBP ottimali, ei punti neri sono i minimi e gli stati di transizione. Le linee verdi sono i punti BBP per tutte le possibili traiettorie di Newton. Credito:AIP Publishing
I recenti sviluppi nella microscopia a forza atomica hanno consentito ai ricercatori di applicare forze meccaniche a singole molecole per indurre reazioni chimiche.
Un team di ricerca spagnolo e tedesco ha ora sviluppato un algoritmo unico nel suo genere che determina la forza minima necessaria per raggiungere il punto di rottura del legame ottimale (BBP) a livello molecolare per indurre meccanicamente una reazione chimica. Riportano i loro risultati questa settimana in Il Giornale di Fisica Chimica .
L'algoritmo può essere applicato a qualsiasi molecola, comprese le molecole biologiche come le proteine e le molecole inorganiche. La loro ricerca ha implicazioni per numerose applicazioni, comprese le macchine molecolari, polimeri meccanicamente resilienti e autoriparanti, materiali sensibili allo stress e design del catalizzatore. L'algoritmo può essere utilizzato anche per esplorare come i campi elettrici esterni possono catalizzare e controllare le reazioni chimiche.
Quando si studiano i processi meccanochimici, i ricercatori cercano la risposta meccanica della struttura a minima energia della molecola reagente. All'aumentare della forza esterna, l'energia minima e le strutture dello stato di transizione sulla superficie dell'energia potenziale modificata dalla forza diventano identiche e la struttura in cui ciò si verifica è il ricercato BBP.
Configurazione molecolare della BBP ottimale di 1, Riarrangiamento H-shift 2-sigmatropico del ciclopentadiene. Le frecce corrispondono alle componenti del gradiente in questo punto. Credito:AIP Publishing
"Il nostro lavoro evidenzia che esiste un'altra serie di punti importanti sulla superficie energetica potenziale di un dato sistema, vale a dire il BBP, che deve essere preso in considerazione per applicazioni meccanochimiche, " disse Wolfgang Quapp, un coautore del documento che ha aggiunto che BBP è un nuovo concetto nella meccano-chimica.
I BBP ottimali di una superficie di energia potenziale sono cruciali, secondo Quapp, perché forniscono informazioni sul modo in cui le forze di trazione dovrebbero essere applicate per innescare le trasformazioni chimiche con la massima efficienza possibile utilizzando la minor quantità di forza.
Il vincolo, la flessione e la torsione di una molecola hanno rigidità variabile. Perciò, determinare l'impalcatura portante di una molecola, per prevedere, Per esempio, il punto di rottura del legame in una molecola troppo tesa, significa che devono essere testate diverse direzioni della forza esterna.
"Il nostro algoritmo consente ai ricercatori di identificare quale parte di una molecola è più suscettibile allo stress meccanico, e quindi l'algoritmo è un passo significativo nella progettazione di modi più efficienti di sfruttare l'energia meccanica per attivare reazioni chimiche, "Quapp ha detto. "L'importanza del BBP ottimale risiede nel fatto che fornisce la direzione e l'ampiezza ottimali della forza di trazione. Ciò richiede un algoritmo per trovare facilmente questi tipi di punti".
L'algoritmo si basa sulle traiettorie di Newton, che derivano dal metodo matematico di calcolo degli zeri di una funzione. Nel caso dei BBP, le traiettorie di Newton si trovano vicino al percorso di reazione della reazione chimica in esame.
